Mikä on lämpöshokki?

Lämpöshokki kuvaa tapaa, jolla jotkut materiaalit ovat alttiita vaurioille, jos ne altistuvat äkillisille lämpötilan muutoksille. Lasi ja tietyt muut materiaalit ovat alttiita tälle prosessille osittain siksi, että ne eivät johda lämpöenergiaa kovin hyvin. Tämä havaitaan helposti, kun kuuma lasi altistetaan jäävedelle – seurauksena on säröillä oleva, rikkoutunut tai jopa särkynyt lasi.

Vahinko on reaktio nopeisiin ja äärimmäisiin lämpötilan vaihteluihin, mutta prosessi on hieman monimutkaisempi kuin tämä. Isku johtuu lämpögradientista, joka viittaa siihen, että lämpötilan muutos tapahtuu epätasaisesti. Lämpötilan muutos aiheuttaa kohteen molekyylirakenteen laajentumisen johtuen molekyylien muodostumista sitovien sidosten heikentymisestä. Lämpögradientin olemassaolo tarkoittaa, että tämä laajentuminen tapahtuu epätasaisesti, ja erityisesti lasi on erittäin altis tälle prosessille.

Kuuman lasin esimerkissä tämä tarkoittaa sitä, että nopea lämpötilan muutos saa jotkut lasin osat nopeasti paljon kuumemmaksi kuin muut osat. Tämä puolestaan ​​aiheuttaa epätasaista laajentumista, mikä rasittaa molekyylirakennetta. Jos jännitys kasvaa tarpeeksi suureksi, materiaalin lujuus häviää ja lasi rikkoutuu.

Sekä keramiikka että lasi ovat alttiita tälle prosessille osittain siksi, että ne eivät ole hyviä lämpöenergian johtimia, ja myös siksi, että niillä ei ole suurta vetolujuutta. Silti näitä materiaaleja käytetään usein sovelluksiin, joissa äärimmäiset lämpötilat ovat yleisiä, koska niiden sulamispisteet ovat erittäin korkeat. Ongelmaksi muodostuu sitten se, miten estetään lämpöshokki säilyttäen samalla prosessin vaatimat äärilämpötilat.

Lasin ja keramiikan iskunkestävyyttä voidaan parantaa parantamalla materiaalin lujuutta tai vähentämällä sen taipumusta epätasaiseen laajentumiseen. Yksi esimerkki menestyksestä tällä alalla on Pyrex®, joka on sellaisten lasityyppien tuotenimi, jotka kuluttajat tuntevat eniten keittoastioina, mutta joita käytetään myös laboratoriolasiesineiden valmistukseen. Perinteisesti Pyrex®: n valmistuksessa käytettyä lasityyppiä kutsutaan boorisilikaattilasiksi boorin lisäyksen vuoksi, joka estää iskuja vähentämällä lasin laajenemistaipumusta.

Kun materiaalien kyky kestää äärimmäisiä lämpötiloja on testattava, ne testataan lämpöshokkikammion sisällä. Kammion sisällä ne altistuvat äärimmäisille kuumille ja kylmille lämpötiloille nopealle kierrolle määrittääkseen lämpötilat, joissa materiaalin vetolujuus voitetaan. Tämän tyyppistä testausta käytetään hyvin monilla teollisuudenaloilla, mukaan lukien maa-, ilma- ja avaruusalusten kehittäminen sekä teollinen valmistus.