熱循環

熱循環是指在一個熱力學過程中，系統從初始狀態出發經歷了一系列過程之後又回到初始狀態，即系統的終態與初態重合。

基本介紹

• 中文名：熱循環
• 外文名：thermal cycle ; heat cycle
• 注音：rè xúnhuán
• 基本釋義：經熱力學過程後終態與初態重合
• 分類：熱力學
• 領域：能源

簡介

一系統沿某一閉合曲線進行的方向有兩種：一種是沿順時針方向進行，稱為正循環；另一種是沿逆時針方向進行，稱為逆循環．由於過程進行的方向不同，系統進行的能量轉換的機理也就不同。

文獻通過對熱循環過程的特點進行分析,利用熱力學基本定律,得出了熱循環的效率只由系統在循環的每一子過程中與外界交換的熱量決定,從而使熱循環效率的計算方法得以簡化。

熱障塗層應力

熱障塗層是一層陶瓷塗層，它沉積在耐高溫金屬或超合金的表面，熱障塗層是用於保護基底材料，使得用其製成的發動機渦輪葉片能在1600℃的高溫下運行，以提高發動機的熱效率達到60%以上。典型的熱障塗層橫截面的微觀簡圖見圖。頂層是陶瓷塗層（ZrO₂-7%Y₂O₃），其主要功能是起隔熱作用，使基底處於相對較低的工作溫度；中間層是過渡層（NiCrAlY），其主要功能是減緩界面的氧化，並使得陶瓷塗層與基底緊緊粘結到一起，在使用過程中兩者不至於脫落。目前在熱障塗層生產過程中主要的生產方法有三種：電漿噴塗方法、電子束輔助的物理氣相沉積法、真空濺射沉積製備法。

熱障塗層橫截面微觀簡圖

熱障塗層主要工作在高溫高壓和高氧化的熱循環環境下，它的作用是保護基底材料，使其免受腐蝕和氧化，這樣可以大大延長基底材料的使用壽命。然而長期在這種惡劣的工作環境下熱障塗層系統本身將會受到哪些損害呢？首先是熱障塗層內每層組成成分有可能分解，相互之間生成新的物質，例如生成界面裂紋成核的主要脆性物質Al₂O₃，同時在陶瓷塗層與過渡層的界面上形成氧化層。其次是長時間工作在這種高溫環境下，材料的屈服強度會大大降低，從而容易使得材料發生不可逆的塑性變形，以及陶瓷塗層發生蠕變變形，這些將會導致在熱循環冷卻過程中產生殘餘應力。另外熱障塗層系統每層材料的熱膨脹係數、彈性模量、泊松比等參數均不一樣，那么在熱循環過程中，它們之間的膨脹速率和收縮速率也就不一樣。由以上可知在熱循環加熱過程中，陶瓷塗層熱膨脹要慢些，為了保持整個系統的變形協調，在陶瓷塗層與過渡層的界面處它將受到拉伸應力作用；而在冷卻過程中，陶瓷塗層收縮要慢些，同樣為了保持整個系統的變形協調，在陶瓷塗層與過渡層的界面處它將受到壓縮應力作用；同時由於熱障塗層系統材料發生了塑性變形和蠕變變形，在熱循環冷卻過程終點處，這個界面上的殘餘應力將不會消失，而是殘留在熱障塗層系統體內；隨著熱循環次數的增多，熱障塗層系統材料發生塑性變形和蠕變變形的程度會越來越大，那么在後來每個熱循環冷卻過程終點處時，這個界面上的殘餘應力也會越來越大。當這個累積的殘餘應力達到某個臨界應力值的時候，它將會使得在陶瓷塗層與過渡層界面上已形成的界面裂紋擴展；當這個殘餘應力進一步增大時，就會產生熱屈曲現象，若產生屈曲後陶瓷層就會與基底脫離開來，失去對基底材料的保護作用，嚴重影響了熱障塗層的使用壽命，這在實際的熱障塗層使用中是不允許出現的。

文獻建立了適應於熱循環中熱應力場的理論模型,分析了熱障塗層內的熱應力分布場,並計算出一個循環後熱障塗層內的殘餘應力分布,由此可推算經過N次循環後熱障塗層中總殘餘應力值,以達到預測熱障塗層壽命的目的。

路面韌性材料

公路路面設計使用年限一般為15年，但目前我國公路路面大多數都是半剛性基層路面，公路路面的實際使用壽命5-8年，甚至更少，其主要原因一是公路運營中重車超載現象較多，另一個重要原因是半剛性基層路面的技術特點易過早地引起路面損壞現象。為此，人們試圖通過尋求新型材料的方式，採用柔性基層材料代替容易發生病害的半剛性基層材料，以解決上述工程問題。

文獻為研究公路路面韌性基層結構技術，通過冷熱循環試驗來研究分析路面韌性基層材料的路用性能，從而提出了柔性路面的韌性基層結構方法。室內試驗結果表明，冷熱循環會衰減 Soilfix固化劑改良粉土的無側限抗壓強度 、CBR 和回彈模量，但隨著循環次數的增加，冷熱循環對改良土的強度的影響程度越來越不明顯，最後改良粉土的強度會在15次冷熱循環後趨於穩定。Soilfix 固化劑改良粉砂土在冷熱循環的影響下，會發生水分的內部遷移，使 Soilfix 固化劑在土中分布不均；同時冷熱循環的溫度變化也會引起土樣的空隙率增大，影響試樣的強度。隨著循環次數的增大，空隙率基本穩定，水的作用也越發不明顯，最後試樣的強度會在15次冷熱循環後趨於穩定。

薄板焊接測定

為了驗證薄板焊接溫度場數值模擬的正確性,文獻套用虛擬儀器技術設計了一套焊接熱循環動態檢測系統.通過串聯多個數采模組,可以同時測量多達100個點的溫度.在本實驗中,採用該系統對薄板局部點的焊接熱循環進行了測量.結果表明,薄板焊接過程的數值模擬結果與實驗檢測結果比較吻合,驗算了焊接熱循環模擬計算結果的合理性,表明該虛擬儀器可以作為多點測量焊接熱循環的可靠測試手段.

相關標準

標準規定了建築幕牆熱循環試驗方法的術語和定義、試驗原理和方法、試驗裝置、試驗要求、試驗程式、試驗結果判定和試驗報告。本標準適用於有氣密、水密性能要求的建築幕牆。

相關專利

反射鏡的支撐結構會直接影響到鏡片的面型和位置精度，進而會影響到整個光學系統的性能，因而一直的光機結構設計的重點和難點之一。反射鏡工作環境溫度發生變化時，由於鏡片和支撐結構的材料熱特性不同，導致溫度變化後鏡片及支撐的尺寸不匹配，會造成鏡片與支撐件之間的應力急劇增大，鏡片發生變形，面型精度降低，進而嚴重影響到鏡片的光學性能。

發明專利公開了一種適用於熱循環條件下的小尺寸反射鏡柔性支撐結構，包括用於將鏡片安裝於框體內的鏡框，還包括連線件和柔性支撐板，所述連線件的線膨脹係數與所述鏡片相近，所述連線件的一側與所述鏡片之間通過光學膠粘結連線，所述連線件的相對的另一側與所述柔性支撐板連線，所述柔性支撐板固定安裝於所述鏡框的內壁上。該發明專利採用周邊柔性支撐的結構，結構簡單，適用於小尺寸反射鏡的支撐；採用膠粘方式與螺釘連線相結合的連線結構，結構緊湊，應力分布均勻，溫度適應性好；根據鏡片在熱循環工作條件下的變形情況，設計的三邊柔性支撐結構，利於鏡片及連線件的應力釋放，提高鏡片的面型及位置精度。