Utjecaj dizajna materijala na otpornost monolitnih vatrostalnih materijala na toplinski udar

U industrijskim primjenama pri visokim temperaturama, monolitni vatrostalni materijali igraju vitalnu ulogu. Ova vrsta materijala ne samo da mora izdržati ekstremno visoke temperature, već također mora održavati strukturni integritet i stabilnost performansi tijekom drastičnih promjena temperature, posebno u smislu otpornosti na toplinski udar. Dizajn materijala ključna je karika u poboljšanju otpornosti neoblikovanih vatrostalnih materijala na toplinski udar. Njegov utjecaj je dalekosežan i složen, uključuje mnoge aspekte.

Prije svega, odabir sastojaka osnova je dizajna materijala i izravno utječe na otpornost monomorfnih vatrostalnih materijala na toplinski udar. Aluminijev oksid (Al2O3) postao je jedna od glavnih komponenti amorfnih vatrostalnih materijala zbog svoje visoke točke taljenja, visoke tvrdoće i izvrsne kemijske stabilnosti. Istraživanja pokazuju da podešavanje sadržaja i kristalnog oblika Al2O3 može značajno utjecati na koeficijent toplinske ekspanzije, toplinsku vodljivost i modul elastičnosti materijala, čime izravno utječe na njegovu otpornost na toplinski udar. Osim toga, odabir sirovina kao što su silicij i magnezij također treba sveobuhvatno razmotriti na temelju specifičnih scenarija primjene kako bi se postigao najbolji učinak otpornosti na toplinski udar.

Kontrola mikrostrukture jedan je od ključnih čimbenika koji određuju svojstva materijala. Za neoblikovane vatrostalne materijale, mikrostrukturne karakteristike kao što su veličina zrna, poroznost i raspodjela pora imaju važan utjecaj na njihovu otpornost na toplinski udar. Optimiziranjem procesa sinteriranja, kao što je podešavanje temperature sinteriranja, vremena držanja i atmosferskih uvjeta, može se učinkovito kontrolirati rast zrna, formirajući jednoliku i finu strukturu zrna, smanjujući unutarnje nedostatke, čime se poboljšava žilavost i otpornost materijala na pukotine. . Istodobno, odgovarajuća količina poroznosti može ublažiti toplinski stres, jer pore mogu poslužiti kao kanali za otpuštanje stresa i smanjiti koncentraciju toplinskog stresa uzrokovanog temperaturnim promjenama.

Uvođenje aditiva također može značajno poboljšati otpornost monolitnih vatrostalnih materijala na toplinski udar. Na primjer, nanočestice, zbog svoje visoke specifične površine i aktivnosti, mogu formirati strukture međusklopa u nanorazmjerima u materijalima, čime se povećava ukupna čvrstoća materijala. Keramička vlakna mogu poboljšati žilavost materijala i smanjiti oštećenja materijala uzrokovana toplinskim stresom. Osim toga, neki posebni aditivi, kao što je cirkonijev oksid (ZrO2), zbog svog efekta očvršćavanja promjene faze, mogu proći kroz promjenu faze na visokim temperaturama i apsorbirati toplinski stres, čime se dodatno poboljšava otpornost materijala na toplinski udar.

Dizajn kompozitnog materijala još je jedan učinkovit način poboljšanja otpornosti neoblikovanih vatrostalnih materijala na toplinski udar. Pažljivim odabirom materijala matrice i ojačanja kako bi se postiglo dobro podudaranje koeficijenata toplinskog širenja, toplinsko naprezanje na međupovršini može se učinkovito smanjiti, a otpornost kompozitnog materijala na toplinski udar povećati. Na primjer, kombiniranjem aluminijevog oksida s cirkonijem može se dobiti kompozitni materijal s izvrsnom otpornošću na toplinski udar. U isto vrijeme, upotreba tehnologije ojačanja vlaknima, kao što je dodavanje čeličnih vlakana ili vatrostalnih vlakana u vatrostalne lijevane materijale, može značajno poboljšati žilavost i otpornost materijala na pukotine, te dodatno povećati njegovu otpornost na toplinski udar.