熱性質與熱震

熱震參數 R(thermal-shock parameter R)

你要如何用單一數字來標定一個陶瓷承受突然溫度躍變的能力?熱震參數 R 對「裂縫萌生」正是這麼做:它是一件材料能一次承受、在表面應力達到其強度、裂縫開始之前的最大溫降。R 越大代表材料越能抗熱震——你可以更猛烈地衝擊它才會開裂。R 的單位是溫度,因為它字面上就是一個臨界溫差。

公式直接來自把熱應力設為等於強度。回想瞬間驟冷坯體的表面陷入拉伸 E 乘以 alpha 乘以 delta-T 除以(1 - nu)。令它等於破裂強度 sigma_f 並解出 delta-T,就得到 R = sigma_f 乘以(1 - nu)除以(E 乘以 alpha),其中 sigma_f 是強度、nu 是蒲松比、E 是彈性模數、alpha 是膨脹係數。這是最壞情況的極限:它假設驟冷是瞬間且完全的,因此表面在任何熱向內傳導之前就達到浴槽溫度——用傳熱的語言來說,就是無限大的畢奧數(Biot number)。R 回答的問題是:在最嚴苛的衝擊下,這種材料能承受多大的溫差?

解讀這條公式就告訴你如何打造抗熱震陶瓷。你要 R 大,所以分子上要高強度 sigma_f、分母上要低模數 E 與低膨脹 alpha。這就是為什麼熔融矽石——alpha 極小、E 中等——擁有巨大的 R,能不當一回事地承受從火焰到水的驟冷,而緻密高模數的氧化鋁儘管強,R 卻只算中等。注意公式裡缺了什麼:R 不含熱傳導率。這是刻意的——R 描述的是傳導來不及幫忙的無限快衝擊。一旦衝擊只是快而非瞬間,傳導就開始有影響,這時你就需要它的搭檔參數 R'。

以熔融矽石取 sigma_f 約 100 MPa、E 約 72 GPa、alpha 約 0.5 x 10^-6 /K、nu 約 0.17:R 約為 100 x 10^6 乘以 0.83 除以(72 x 10^9 乘以 0.5 x 10^-6),接近 2300 度C。對緻密氧化鋁(sigma_f 350 MPa、E 380 GPa、alpha 8 x 10^-6),R 只有約 80 度C——三十倍的差距主要由氧化鋁大得多的膨脹主宰。

R 為最嚴苛的瞬間驟冷排序;低膨脹與低模數主宰了這個排序。

R 刻意不含熱傳導率,因為它模擬的是傳導幫不上忙的無限嚴苛(無限畢奧數)驟冷。因此它會低估像 SiC 這類高導熱陶瓷的真實抗熱震性——對那些材料你必須改用 R'。

又称
first thermal-shock resistance parametercritical temperature difference第一熱震阻抗參數臨界溫差