CN106755812B - 一种陶瓷材料降温热冲击实验的方法 - Google Patents
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Abstract
一种陶瓷材料降温热冲击实验的方法，该方法采用聚合物淬火介质，其组成为:水溶性聚合物含量大于0,小于等于50％、余量为水。克服了水作为淬火剂冷却时，冷却速度快，冷却不均匀所导致的工件温度梯度和淬火应力大，使材料的抗热冲击性比实际服役环境低的缺点；也克服了传统淬火油冷却速度慢，在常规热处理条件下，不足以使材料产生热冲击失效，难以研究相应的抗热冲击性，且易燃等缺点。该淬火介质的冷速可以根据需要通过改变浓度加以调整，以研究材料在不同服役温度下的抗热冲击性。使用该淬火介质，会在样品表面形成一层稳定的聚合物层或富含聚合物层，热量传递均匀，更接近材料实际服役环境，环保无毒，不易老化，具有极大的推广性和实用性。
Description
技术领域
本发明涉及温度冲击试验研究领域，具体涉及一种陶瓷材料降温热冲击实验的方法。
背景技术
陶瓷材料因其熔点高,且在高温下具有很好的化学及物理稳定性等优异性能而被广泛应用于高温结构领域，如高超声速飞行器的热防护材料及发动机的热端等。但是,由于飞行过程中气动加热会产生瞬态高温以及极高热流，飞行器的结构部件因此要遭受由温度剧变带来的巨大热冲击。陶瓷材料自身存在的弱点脆性大、导热系数低等，使得结构部件的可靠性受到严重影响。飞行过程中结构件破坏的主要原因就是热冲击导致的材料内部热应力。因此研究陶瓷材料的抗热冲击性能就显得十分必要和重要。
抗热冲击性能研究的实验方法主要有两种：一种是加热冲击，另一种是冷却热冲击。其中，水淬法是最常用的冷却热冲击方法。但是，水淬处理条件下，相变换热导致界面处随机产生气泡(减缓热量传递)，导致巨大的热交换系数梯度；热交换系数梯度可能超过表面温度梯度对材料抗热冲击性的影响；使此种实验条件比材料实际服役条件苛刻。因此，需要寻找比水淬实验条件温和、更接近材料实际服役条件的实验方法。
空气和淬火油等单相介质的淬火条件与材料实际服役条件接近，但其淬火效果太温和，在常规热处理条件下，不足以使材料产生热冲击失效，难以研究相应的抗热冲击性。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种用于陶瓷材料降温热冲击实验的聚合物淬火介质，使其克服水作为淬火剂冷却时，冷却速度快、冷却不均匀，从而导致工件温度梯度和淬火应力大，使材料的抗热冲击性比实际服役环境低的缺点；同时克服传统淬火油冷却速度慢，在常规热处理条件下，不足以使材料产生热冲击失效，难以研究相应的抗热冲击性，且易燃等缺点。这种淬火介质的冷速可以根据需要通过改变浓度加以调整，以研究材料在不同服役温度下的抗热冲击性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种陶瓷材料降温热冲击实验的方法，该方法采用聚合物淬火介质进行，所述聚合物淬火介质是由水溶性聚合物和水组成，其中水溶性聚合物的重量百分比含量为大于0,小于等于50％。
优选地，所述水溶性聚合物为聚烯烃乙二醇、聚乙烷基噁唑啉、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸钠和水溶性聚醚改性硅油中的一种或几种。
本发明具有以下优点及突出性的技术效果：
⑴其冷却能力介于水和淬火油之间。当工件淬入该淬火剂中时，工件表面形成一层既包含水蒸气膜，又包含聚合物层或富含聚合物层的蒸气膜层；在热量传递过程中，通过薄膜的形成与破裂，既使热量可以快速传递，又使热量传递均匀，因此，此种降温热冲击研究条件更接近材料实际服役环境。
⑵热量传递过程中，可形成两个竞争的过程：①介质中的水分吸热变成气体；②析出的聚合物将阻止气体蒸发，在样品表面形成一层稳定的聚合物层或富含聚合物层，将妨碍传热。竞争的结果取决于二者的含量比和热处理温度，进而可以研究材料在不同服役温度下的抗热冲击性。
(3)这种淬火介质的冷速可以根据需要通过改变浓度加以调整，以研究材料在不同服役温度下的抗热冲击性。
附图说明
图1为某ZrB2基陶瓷材料试件在水淬条件下的抗热冲击性研究结果。
图2为相同材料使用本发明测得的在500℃热处理温度下的抗热冲击性研究结果。
图3为相同材料使用本发明测得的在600℃热处理温度下的抗热冲击性研究结果。
图4为相同材料使用本发明测得的在700℃热处理温度下的抗热冲击性研究结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
本发明提供的一种陶瓷材料降温热冲击实验的方法，该方法采用聚合物淬火介质进行，其组成原料的重量百分比为:水溶性聚醚改性硅油含量大于0,小于等于50％；余量为水。将所述原料混合搅拌均匀，在15—50℃之间使用即可；所述的水溶性聚合物优选采用聚烯烃乙二醇、聚乙烷基噁唑啉、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸钠和水溶性聚醚改性硅油中的一种或几种。
使用时，根据需要将水溶性聚合物和水按不同比例混合，搅拌均匀，即可进行淬火实验。
实施例：
图1是某ZrB2基陶瓷材料试件在水淬条件下的抗热冲击性研究结果，本发明的淬火介质对相同材料抗热冲击性的调控见图2-4。由实验结果可知：水淬条件下，材料的临界热冲击温度为326℃，在350℃热处理后即已失效。使用本发明的淬火介质条件下，可通过改变水溶性硅油的浓度，控制材料热冲击失效与否，进而获得材料在不同服役温度下的抗热冲击性。
以水溶性聚醚改性硅油为例，将该硅油与水在不同比例下进行均匀混合，然后进行淬火实验。图2为该材料在500℃热处理温度下的抗热冲击性研究结果，可知：既使热处理温度(500℃)已经高于水淬条件下的临界热冲击温度(326℃)，在硅油浓度为10％时，材料仍然不会失效，水溶性聚醚改性硅油浓度分别为0.005％和0.0001％时，材料则完全失效。同理，热处理温度升高至600℃时(图3)，在硅油浓度为25％和30％时，材料仍然不会失效，硅油浓度为1％和0.1％，材料则完全失效；热处理温度升高至700℃时(图4)，在硅油浓度为25％、30％和50％时，材料仍然不会失效，硅油浓度为5％时，材料则完全失效。
本发明还分别采用聚烯烃乙二醇、聚乙烷基噁唑啉、聚乙烯吡咯烷酮和聚丙烯酸钠材料进行了类似实验，通过实验可知：本发明克服了水作为淬火剂冷却时，冷却速度快，冷却不均匀所导致的工件温度梯度和淬火应力大，使材料的抗热冲击性比实际服役环境低的缺点；也克服了传统淬火油冷却速度慢，在常规热处理条件下，不足以使材料产生热冲击失效，难以研究相应的抗热冲击性，且易燃等缺点。通过改变相应水溶性聚合物的浓度，可以有效控制材料热冲击失效与否，进而获得材料在相应热处理温度下的抗热冲击性。因此，本发明的聚合物淬火介质更适于陶瓷材料的抗热冲击性能研究。
本发明说明书中未详细阐述部分属于本领域公知技术。
Claims (1)
1.一种陶瓷材料降温热冲击实验的方法，其特征在于：该方法采用聚合物淬火介质进行，所述聚合物淬火介质是由水溶性聚合物和水组成，其中水溶性聚合物的重量百分比含量为25％～50％，通过改变所述水溶性聚合物的浓度，控制陶瓷材料热冲击失效与否，进而获得材料在不同服役温度下的抗热冲击性，所述陶瓷材料为ZrB2基陶瓷材料，所述水溶性聚合物为聚醚改性硅油；其中，当热处理温度为600℃且所述陶瓷材料不失效时，所述聚醚改性硅油的含量范围为25％～30％；当热处理温度为700℃且所述陶瓷材料不失效时，所述聚醚改性硅油的含量范围为25％～50％。
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