新納米塗層可使工業陶瓷免受熱衝擊

由於能承受極端環境，陶瓷材料被用於核、化學和發電行業。不過，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）引發的熱衝擊而斷裂。在一種新穎的跨學科方法中，美國新墨西哥大學的工程師在美國物理聯合會（AIP）出版集團下屬《美國物理聯合會進展》雜誌上報告了一種預防陶瓷熱衝擊的廉價、簡單疏水塗料。

「我們利用了完全相同的材料，但控制了熱傳遞，使陶瓷經歷更加溫和的溫度梯度、減輕拉伸應力，由此極大改善熱衝擊行為。」論文作者之一Youho Lee介紹說。

熱衝擊是未意識到玻璃對急劇溫度變化非常敏感的新手廚師在廚房中通常經歷的一種現象。如果剛從烤箱熱度中恢復的玻璃沙鍋受到冷水衝擊，表面溫度的突然降低會在材料內部產生不均衡的溫度梯度，引發拉伸應力以及最終的破裂。相同的熱衝擊敏感性也會影響工業陶瓷的壽命。

從跨學科的學術背景出發，Lee決定探尋熱傳遞對陶瓷熱衝擊的影響。他通過拍攝水滴對加熱陶瓷表面影響的高速視頻分析了熱傳遞。「當熱傳遞快速進行時，碰撞瞬間會產生猛烈的氣泡和表面上的噴射流。」

研究發現，這些更加快速的熱傳遞模式同材料強度的減少相對應。當陶瓷被加熱至325℃時，出現了更加劇烈的液滴動力學過程（表明更加快速的熱傳遞），材料強度也相應地大幅下降。不過，在高於325℃時，材料強度似乎較少受到熱衝擊影響，同時液滴動力學發生改變，形成更加明顯的蒸汽膜。

為減少熱傳遞以及陶瓷在高達325℃時經歷的熱衝擊，Lee利用了一些核工程學的基本知識，也就是說，二相熱傳遞速率可通過將水從表面驅趕走以形成絕緣蒸汽膜而被降低。為此，他在陶瓷表面塗上納米粒子，產生納米結構的疏水面。當試驗在擁有新塗層的陶瓷材料上重複時，水滴動力學得到極大改變，也沒有猛烈的泡沫噴出。而蒸汽膜的形成被觀察到。關鍵在於擁有新塗層的陶瓷在水滴撞擊後並未出現強度上的改變。

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