No Image

Высокотемпературные материалы

20 просмотров
04 декабря 2023

Чтобы извлечь полезную работу из топлива, его нужно сначала сжечь, чтобы довести жидкость (обычно пар) до высокой температуры. Термодинамика показывает, что чем выше температура, тем выше эффективность преобразования тепла в работу; поэтому разработка материалов для камер сгорания, поршней, клапанов, роторов и лопаток турбин, которые могут работать при все более высоких температурах, имеет критическое значение. КПД первых паровых двигателей составлял менее 1 процента, в то время как современные паровые турбины достигают КПД 35 процентов и более. Частично это улучшение произошло благодаря улучшению конструкции и точности обработки металла, но большая часть — результат использования улучшенных высокотемпературных материалов. Первые двигатели изготавливались из чугуна, а затем из обычных сталей. Позже были разработаны высокотемпературные сплавы, содержащие никель, молибден, хром и кремний, которые не плавились и не разрушались при температуре выше 540° C (1 000° F). Однако современные процессы горения приближаются к предельным температурам, при которых можно использовать металлы, поэтому разрабатываются новые материалы, способные работать при более высоких температурах, в частности, интерметаллические соединения и керамика.

Структурные особенности, ограничивающие использование металлов при высоких температурах, носят как атомный, так и электронный характер. Все материалы содержат дислокации. Самые простые из них возникают в результате того, что плоскости атомов не проходят через весь кристалл, так что там, где заканчивается плоскость, есть линия с меньшим количеством атомов, чем обычно. В металлах внешние электроны могут свободно перемещаться. Это обеспечивает делокализованную когезию, так что при приложении напряжения дислокации могут перемещаться, снимая напряжение. В результате металлы становятся пластичными: их не только легко обрабатывать, придавая им желаемую форму, но и при нагрузке они постепенно пластично деформируются, а не сразу ломаются. Это желательное свойство, но чем выше температура, тем больше пластическое течение под нагрузкой, и если температура слишком высока, материал становится бесполезным. Чтобы обойти эту проблему, изучаются материалы, в которых движение дислокаций заторможено. Керамика, такая как нитрид кремния или карбид кремния, и интерметаллиды, такие как алюминид никеля, перспективны, поскольку электроны, удерживающие их вместе, высоко локализованы в виде валентных или ионных связей. Как будто металлы удерживаются вместе скользким клеем, в то время как в неметаллах атомы соединены жесткими стержнями. Таким образом, дислокациям гораздо труднее двигаться в неметаллах; повышение температуры не приводит к увеличению подвижности дислокаций, а напряжение, необходимое для того, чтобы они поддались, гораздо выше. Кроме того, их точки плавления ниже

Комментировать
20 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
No Image Технологии
0 комментариев
No Image Технологии
0 комментариев
No Image Технологии
0 комментариев
No Image Технологии
0 комментариев