Los materiales cerámicos se usan en las industrias de generación de energía nuclear, química y eléctrica debido a su capacidad para resistir ambientes extremos. Sin embargo, a altas temperaturas, la cerámica es susceptible a fracturas por choque térmico causadas por eventos rápidos de cambio de temperatura, como el agua fríacontacto de gotitas con superficies calientes. En un novedoso enfoque interdisciplinario, los ingenieros de la Universidad de Nuevo México informan en Avances AIP , de AIP Publishing, el uso de un recubrimiento barato, simple y repelente al agua para evitar el choque térmico en cerámica.
"Utilizamos exactamente el mismo material pero controlamos la transferencia de calor, permitiendo que el material vea un gradiente de temperatura más benigno, aliviando las tensiones de tensión y mejorando radicalmente el comportamiento del choque térmico", dijo Youho Lee, de la Universidad de Nuevo México y unode los autores del artículo.
El choque térmico es un fenómeno que los cocineros novatos a menudo experimentan en la cocina sin darse cuenta de la susceptibilidad del vidrio a los cambios dramáticos de temperatura. Si una cacerola de vidrio recién sacada del calor del horno se lava con agua fría, la disminución repentina de la temperatura de la superficiecrea un gradiente de temperatura desigual en todo el material, provocando tensiones de tensión y finalmente grietas. Esta misma susceptibilidad al choque térmico afecta la vida útil de la cerámica industrial.
Lee explicó que en intentos anteriores para mejorar la resistencia al choque térmico, los científicos de materiales cambiaron las propiedades del material en sí, pero este es un proceso costoso y difícil con inconvenientes inherentes. "Si mejora el material de una manera, sacrifica otras propiedades", Dijo Lee.
Desde su formación académica interdisciplinaria, Lee tenía experiencia investigando la transferencia de calor, por lo que decidió explorar el efecto de la transferencia de calor en el choque térmico de cerámica.
La transferencia de calor se examinó al tomar videos de alta velocidad del impacto de las gotas de agua sobre una superficie de cerámica calentada. "Cuando la transferencia de calor es rápida, los momentos de colisión se caracterizan por burbujas y chorros violentos en la superficie", dijo Lee. Y estosSe encontró que los modos de transferencia de calor más rápidos corresponden a una reducción en la resistencia del material, como se evaluó en las pruebas de flexión.transferencia de calor. Sin embargo, a temperaturas superiores a 325 C, la resistencia del material parecía menos afectada por el choque térmico, y la dinámica de las gotas cambió para formar una película de vapor apreciable.
Para reducir la transferencia de calor y, por lo tanto, el choque térmico experimentado por la cerámica a temperaturas de hasta 325 ° C, Lee utilizó algunos conocimientos de ingeniería nuclear, es decir, una tasa de transferencia de calor de dos fases se puede reducir al repeler el aguadesde la superficie para formar una película de vapor aislante. Por lo tanto, cubrió la superficie de cerámica con nanopartículas, creando una superficie nanoestructurada e hidrófoba. Cuando se repitieron los experimentos en el material cerámico recién recubierto, la dinámica de las gotas cambió drásticamente, sin chorros violentos de burbujas; en cambio, se observó formación de película de vapor. Crucialmente, las cerámicas revestidas no mostraron alteración en la resistencia después del impacto de las gotas.
"Lo que hicimos fue muy simple, sin equipos o materiales caros y sofisticados", dijo Lee. "La innovación de este estudio fue evitar la transferencia de calor dramática al promover la formación de película de vapor, que aisló el material del choque térmico."
Desde su perspectiva de ingeniería nuclear, Lee imagina que estos hallazgos se pueden usar para mejorar la seguridad de la planta de energía nuclear al aumentar la tolerancia al choque térmico de los componentes nucleares. Pero este recubrimiento aislante no se limita a aplicaciones nucleares y se puede aplicar a cualquier cerámicamaterial utilizado en industrias que operan a altas temperaturas.
Lee también ve un beneficio adicional de la correlación entre el modo de transferencia de calor y el cambio de resistencia cerámica del material, y piensa que esta "memoria" cerámica podría usarse en la detección de transferencia de calor. "En muchas aplicaciones de ingeniería es difícil instalar unCámara de video de alta velocidad para evaluar la transferencia de calor ", dijo Lee." Sin embargo, puede usar un material cerámico para una aplicación que, por ejemplo, requiera una cámara de alta presión; su resistencia luego puede usarse como una medida de transferencia de calor"
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Instituto Americano de Física . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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