[科普中国]-热循环

简介

一系统沿某一闭合曲线进行的方向有两种：一种是沿顺时针方向进行，称为正循环；另一种是沿逆时针方向进行，称为逆循环．由于过程进行的方向不同，系统进行的能量转换的机理也就不同。

文献1通过对热循环过程的特点进行分析,利用热力学基本定律,得出了热循环的效率只由系统在循环的每一子过程中与外界交换的热量决定,从而使热循环效率的计算方法得以简化。

热障涂层应力热障涂层是一层陶瓷涂层，它沉积在耐高温金属或超合金的表面，热障涂层是用于保护基底材料，使得用其制成的发动机涡轮叶片能在1600℃的高温下运行，以提高发动机的热效率达到60%以上。典型的热障涂层横截面的微观简图见图。顶层是陶瓷涂层（ZrO2-7%Y2O3），其主要功能是起隔热作用，使基底处于相对较低的工作温度；中间层是过渡层（NiCrAlY），其主要功能是减缓界面的氧化，并使得陶瓷涂层与基底紧紧粘结到一起，在使用过程中两者不至于脱落。目前在热障涂层生产过程中主要的生产方法有三种：等离子体喷涂方法、电子束辅助的物理气相沉积法、真空溅射沉积制备法。

热障涂层主要工作在高温高压和高氧化的热循环环境下，它的作用是保护基底材料，使其免受腐蚀和氧化，这样可以大大延长基底材料的使用寿命。然而长期在这种恶劣的工作环境下热障涂层系统本身将会受到哪些损害呢？首先是热障涂层内每层组成成分有可能分解，相互之间生成新的物质，例如生成界面裂纹成核的主要脆性物质Al2O3，同时在陶瓷涂层与过渡层的界面上形成氧化层。其次是长时间工作在这种高温环境下，材料的屈服强度会大大降低，从而容易使得材料发生不可逆的塑性变形，以及陶瓷涂层发生蠕变变形，这些将会导致在热循环冷却过程中产生残余应力。另外热障涂层系统每层材料的热膨胀系数、弹性模量、泊松比等参数均不一样，那么在热循环过程中，它们之间的膨胀速率和收缩速率也就不一样。由以上可知在热循环加热过程中，陶瓷涂层热膨胀要慢些，为了保持整个系统的变形协调，在陶瓷涂层与过渡层的界面处它将受到拉伸应力作用；而在冷却过程中，陶瓷涂层收缩要慢些，同样为了保持整个系统的变形协调，在陶瓷涂层与过渡层的界面处它将受到压缩应力作用；同时由于热障涂层系统材料发生了塑性变形和蠕变变形，在热循环冷却过程终点处，这个界面上的残余应力将不会消失，而是残留在热障涂层系统体内；随着热循环次数的增多，热障涂层系统材料发生塑性变形和蠕变变形的程度会越来越大，那么在后来每个热循环冷却过程终点处时，这个界面上的残余应力也会越来越大。当这个累积的残余应力达到某个临界应力值的时候，它将会使得在陶瓷涂层与过渡层界面上已形成的界面裂纹扩展；当这个残余应力进一步增大时，就会产生热屈曲现象，若产生屈曲后陶瓷层就会与基底脱离开来，失去对基底材料的保护作用，严重影响了热障涂层的使用寿命，这在实际的热障涂层使用中是不允许出现的。

文献2建立了适应于热循环中热应力场的理论模型,分析了热障涂层内的热应力分布场,并计算出一个循环后热障涂层内的残余应力分布,由此可推算经过N次循环后热障涂层中总残余应力值,以达到预测热障涂层寿命的目的。

路面韧性材料公路路面设计使用年限一般为15年，但目前我国公路路面大多数都是半刚性基层路面，公路路面的实际使用寿命5-8年，甚至更少，其主要原因一是公路运营中重车超载现象较多，另一个重要原因是半刚性基层路面的技术特点易过早地引起路面损坏现象。为此，人们试图通过寻求新型材料的方式，采用柔性基层材料代替容易发生病害的半刚性基层材料，以解决上述工程问题。

文献3为研究公路路面韧性基层结构技术，通过冷热循环试验来研究分析路面韧性基层材料的路用性能，从而提出了柔性路面的韧性基层结构方法。室内试验结果表明，冷热循环会衰减 Soilfix固化剂改良粉土的无侧限抗压强度 、CBR 和回弹模量，但随着循环次数的增加，冷热循环对改良土的强度的影响程度越来越不明显，最后改良粉土的强度会在15次冷热循环后趋于稳定。Soilfix 固化剂改良粉砂土在冷热循环的影响下，会发生水分的内部迁移，使 Soilfix 固化剂在土中分布不均；同时冷热循环的温度变化也会引起土样的空隙率增大，影响试样的强度。随着循环次数的增大，空隙率基本稳定，水的作用也越发不明显，最后试样的强度会在15次冷热循环后趋于稳定。

薄板焊接测定为了验证薄板焊接温度场数值模拟的正确性,文献4应用虚拟仪器技术设计了一套焊接热循环动态检测系统.通过串联多个数采模块,可以同时测量多达100个点的温度.在本实验中,采用该系统对薄板局部点的焊接热循环进行了测量.结果表明,薄板焊接过程的数值模拟结果与实验检测结果比较吻合,验算了焊接热循环模拟计算结果的合理性,表明该虚拟仪器可以作为多点测量焊接热循环的可靠测试手段.

相关标准标准5规定了建筑幕墙热循环试验方法的术语和定义、试验原理和方法、试验装置、试验要求、试验程序、试验结果判定和试验报告。本标准适用于有气密、水密性能要求的建筑幕墙。

相关专利反射镜的支撑结构会直接影响到镜片的面型和位置精度，进而会影响到整个光学系统的性能，因而一直的光机结构设计的重点和难点之一。反射镜工作环境温度发生变化时，由于镜片和支撑结构的材料热特性不同，导致温度变化后镜片及支撑的尺寸不匹配，会造成镜片与支撑件之间的应力急剧增大，镜片发生变形，面型精度降低，进而严重影响到镜片的光学性能。

发明专利6公开了一种适用于热循环条件下的小尺寸反射镜柔性支撑结构，包括用于将镜片安装于框体内的镜框，还包括连接件和柔性支撑板，所述连接件的线膨胀系数与所述镜片相近，所述连接件的一侧与所述镜片之间通过光学胶粘结连接，所述连接件的相对的另一侧与所述柔性支撑板连接，所述柔性支撑板固定安装于所述镜框的内壁上。该发明专利采用周边柔性支撑的结构，结构简单，适用于小尺寸反射镜的支撑；采用胶粘方式与螺钉连接相结合的连接结构，结构紧凑，应力分布均匀，温度适应性好；根据镜片在热循环工作条件下的变形情况，设计的三边柔性支撑结构，利于镜片及连接件的应力释放，提高镜片的面型及位置精度。