由于能承受極端環(huán)境，陶瓷材料被用于核、化學(xué)和發(fā)電行業(yè)。不過(guò)，在高溫下，陶瓷容易因快速溫度改變事件（比如冷水滴同熱表面接觸）引發(fā)的熱沖擊而斷裂。在一種新穎的跨學(xué)科方法中，美國(guó)新墨西哥大學(xué)的工程師在美國(guó)物理聯(lián)合會(huì)（AIP）出版集團(tuán)下屬《美國(guó)物理聯(lián)合會(huì)進(jìn)展》雜志上報(bào)告了一種預(yù)防陶瓷熱沖擊的廉價(jià)、簡(jiǎn)單疏水涂料。

    “我們利用了完全相同的材料，但控制了熱傳遞，使陶瓷經(jīng)歷更加溫和的溫度梯度、減輕拉伸應(yīng)力，由此極大改善熱沖擊行為。”論文作者之一Youho Lee介紹說(shuō)。

    熱沖擊是未意識(shí)到玻璃對(duì)急劇溫度變化非常敏感的新手廚師在廚房中通常經(jīng)歷的一種現(xiàn)象。如果剛從烤箱熱度中恢復(fù)的玻璃沙鍋受到冷水沖擊，表面溫度的突然降低會(huì)在材料內(nèi)部產(chǎn)生不均衡的溫度梯度，引發(fā)拉伸應(yīng)力以及最終的破裂。相同的熱沖擊敏感性也會(huì)影響工業(yè)陶瓷的壽命。

    從跨學(xué)科的學(xué)術(shù)背景出發(fā)，Lee決定探尋熱傳遞對(duì)陶瓷熱沖擊的影響。他通過(guò)拍攝水滴對(duì)加熱陶瓷表面影響的高速視頻分析了熱傳遞。“當(dāng)熱傳遞快速進(jìn)行時(shí)，碰撞瞬間會(huì)產(chǎn)生猛烈的氣泡和表面上的噴射流。”

    研究發(fā)現(xiàn)，這些更加快速的熱傳遞模式同材料強(qiáng)度的減少相對(duì)應(yīng)。當(dāng)陶瓷被加熱至325℃時(shí)，出現(xiàn)了更加劇烈的液滴動(dòng)力學(xué)過(guò)程（表明更加快速的熱傳遞），材料強(qiáng)度也相應(yīng)地大幅下降。不過(guò)，在高于325℃時(shí)，材料強(qiáng)度似乎較少受到熱沖擊影響，同時(shí)液滴動(dòng)力學(xué)發(fā)生改變，形成更加明顯的蒸汽膜。

    為減少熱傳遞以及陶瓷在高達(dá)325℃時(shí)經(jīng)歷的熱沖擊，Lee利用了一些核工程學(xué)的基本知識(shí)，也就是說(shuō)，二相熱傳遞速率可通過(guò)將水從表面驅(qū)趕走以形成絕緣蒸汽膜而被降低。為此，他在陶瓷表面涂上納米粒子，產(chǎn)生納米結(jié)構(gòu)的疏水面。當(dāng)試驗(yàn)在擁有新涂層的陶瓷材料上重復(fù)時(shí)，水滴動(dòng)力學(xué)得到極大改變，也沒(méi)有猛烈的泡沫噴出。而蒸汽膜的形成被觀察到。關(guān)鍵在于擁有新涂層的陶瓷在水滴撞擊后并未出現(xiàn)強(qiáng)度上的改變。

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