دراسة حالة: الإجهاد الناجم عن التدرج الحراري في مكونات SiC

في تطبيقات درجات الحرارة العالية ، غالبًا ما يتم اختيار مكونات SiC لمقاومتها الحرارية الممتازة.

ومع ذلك ، في التشغيل العملي ، تظهر بعض المكونات:

• التكسير
• أضرار محلية
• عمر الخدمة المختصر

حتى عندما لا تتجاوز حدود الحرارة

غالبا ما يحدث الفشل:

• في الحواف أو الزوايا
• المناطق القريبة من الاتصال أو المناطق المقيدة
• بدون تشوه موحد

هذا يدل على أن:

المسألة ليست درجة الحرارة نفسها، ولكن توزيع درجة الحرارة

التدرج الحراري يشير إلى:

الفرق في درجة الحرارة داخل المكون

على سبيل المثال

• المنطقة الساخنة: 1400~1600°C
• المنطقة الأكثر برودة: أقل بكثير

عندما يكون هناك منحدر حراري:

• أجزاء مختلفة من المكونات تتوسع بشكل مختلف
• يخلق الضغط الداخلي

هذا يؤدي إلى:

الإجهاد الحراري بدون عبء خارجي

يمكن وصف العملية على النحو التالي:

1. تسخين أو تبريد غير موحد
2. التوسع الحراري التفاضلي
3. تطور الضغط الداخلي
4. تركيز الضغط في النقاط الحرجة
5. بدء التكسير

وتشمل الخصائص النموذجية:

• الشقوق في الحواف أو الزوايا
• الضرر بالقرب من الدعم أو القيود
• لا توجد علامات واضحة على زيادة الحمل

الفشل يبدو غير متوقع

على الرغم من أن SiC لديه:

• التوسع الحراري المنخفض
• استقرار درجة حرارة عالية

لا يزال يختبر:

الإجهاد الحراري عندما تكون المنحدرات كبيرة بما يكفي

التوتر الحراري يتأثر:

• الفرق في درجة الحرارة (ΔT)
• معدل التدفئة
• معدل التبريد
• هندسة المكونات
• شروط الدعم

درجة الحرارة وحدها لا تسبب الفشل

الفرق في درجة الحرارة

للحد من الإجهاد الحراري في أنظمة درجات الحرارة العالية، يركز المهندسون في كثير من الأحيان على:

• تجنب التسخين أو التبريد السريع
• تحسين توحيد درجة الحرارة،
• تحسين هندسة المكونات
• وتقليل القيود على الدعم.

لتطبيقات المواقد المتطلبة، كثيفةمكونات كربيد السيليكون المتجمد بدون ضغط (SSiC)تستخدم على نطاق واسع بسبب استقرارها الحراري الممتاز ، والقدرة على توصيل الحرارة العالية ، والأداء الهيكلي الموثوق به في درجات الحرارة العالية.

الإجهاد الناجم عن التدرج الحراري هو:

آلية الإجهاد الداخلي الناجمة عن توزيع درجات الحرارة غير المتساوية

إنه مستقل عن الحمل الميكانيكي الخارجي.

العديد من فشل درجات الحرارة العالية لا تسببها:

• قوة المواد
• الحرارة القصوى

ولكن من قبل:

المنحدرات الحرارية داخل النظام