Тепловое разрушение материалов - часть 20

4.1. Выбор эталонного материала для экспериментального исследования закономерностей теплового  
       разрушения 

 

82 

 
В отличие от стеклопластиков, в  кварцевой  стеклокерамике  (КСК), как  и  в  кварцевом  стекле, 

отсутствует связующее.  Это  значительно  упрощает  анализ  прогрева  материала  и  обеспечивает  про-
порциональную  зависимость  между  линейной  и  массовой  скоростями  разрушения  во  всем  периоде 
нагрева (рис. 4.1). 

Согласно работе [2] суммарный тепловой эффект поверхностных процессов для материалов на 

основе  кварцевого  стекла  (без  связующего)  изменяется  сравнительно  мало  и  может  быть  принят 
~11000 кДж/кг. Высокая вязкость расплава кварцевого стекла и КСК позволяет определить долю ис-
парения [124] (см. раздел 4.5), а скорость уноса массы практически не зависит от количества кисло-
рода в набегающем газовом потоке и плотности материала (см. рис. 3.11). 

Однако чистая кварцевая стеклокерамика, особенно при температурах, превышающих темпера-

туру плавления, обладает частичной прозрачностью. Следовательно, ее оптические свойства зависят 
от величины прогретого объема. К сожалению, в настоящее время практически отсутствуют данные 
по коэффициентам поглощения выше температуры размягчения не только для кварцевой стеклокера-
мики, но и для кварцевого стекла. Например, температурная зависимость оптических свойств кварце-
вой  керамики,  приведенная  в  работе [125], получена  на  беспористых  образцах (0,1%) и  ограничена 
температурой 1600 К. Это не позволяет рассчитать излучательную способность при разрушении по-
верхности материала и оценить погрешность показаний термопары при более высоких температурах.  
 

Измерения  оптических  свойств  КСК  на  основе  кварцевого  стекла  марки  КИ  в  спектральном 

диапазоне (0,4

−50)·10

-6

 м при температурах 293

−1573 К показали, что кварцевая стеклокерамика по-

лупрозрачна  в  области  длин  волн (0,4

−5,0)·10

-6

  м,  соответствующих  максимуму  планковского  рас-

пределения при температурах 579

−1244 К, и непрозрачна в диапазоне (7,14−50)·10

-6

 м. 

Таким  образом,  перечисленные  выше  преимущества  кварцевой  стеклокерамики  осложняются 

серьезным недостатком 

− ее частичной прозрачностью при высоких температурах. 

В то же время при исследованиях влияния различных добавок (BN, Si

3

N

4

, Co, Cr

2

O

3

 и др.) на 

параметры разрушения стеклокерамики оказалось, что ее легирование окисью хрома (до 1%) позво-
ляет практически полностью исключить лучистую составляющую теплопереноса в условиях конвек-
тивного нагрева. На рис. 4.2, а показаны результаты измерений пропускания образцов КСК при ком-
натной  температуре.  Измерения  проводились  на  спектрофотометре  СФ-14  для  образцов  толщиной 
(1–6)·10

-3

 м, пористостью 10%. На рисунке видно, что из-за сильного рассеяния пропускание образца 

чистой КСК даже толщиной 1·10

-3

 м в диапазоне длин волн (0,4

−0,75)·10

-6

 м не превысило 7%. Толь-

ко при повышении температуры выше 1600 К ее светопропускание возрастает (рис. 4.2, б) [126]. 

 

 
 
Рис. 4.2. Зависимость све-
топропускания чистой 
кварцевой стеклокерами-
ки от длины волны (а) и 
температуры (б):  
а 

− пористость образцов 

10% (

δ

 

− толщина образ-

ца); б 

−1 − тонкодисперс-

ный состав, 2 

− среднедис-

персный состав (пористость 
до 0,8%), данные [126] 

 

 

Глава 4. Поглощения тепла при прогреве и тепловом разрушении поверхности материала

 

 

83

Для  легированной  КСК  светопропускание  составило  всего ~0,05%. Кроме  того,  при  высоких 

температурах в легированной окисью хрома КСК, в отличие от чистой керамики, образуется четкая 
граница между прогретым и исходным материалом (рис. 4.3, в), которая практически полностью ис-
ключает ее прозрачность. Определение температуры этой границы позволило экспериментально ис-
следовать  закономерность  перемещения  изотермы  с  температурой,  превышающей  диапазон  термо-
парных измерений. 

Исследования проводились на образцах чистой и легированной окисью хрома (0,5

−1%) кварце-

вой стеклокерамики, изготовленных из шликера прозрачного кварцевого стекла по технологии [126], 
а также на образцах кварцевого стекла марки КВ. Пористость образцов керамики находилась в пре-
делах 10

−12%.  Нагрев  осуществляли  в  дозвуковой  воздушной  струе  ЭДП  (плазмотрон  установки 

РПУ-1)  и  в  сверхзвуковой  струе  газогенератора,  работающего  на  топливе  керосин-кислород  (стенд 
ЖРД-2М). Время нагрева задавалось с помощью реле времени и изменялось от 0,3 до 60 с, в зависи-
мости от режима испытаний и цели эксперимента. Яркостная температура поверхности измерялась в 
видимой области спектра 0,65

⋅10

-6

 м фотоэлектрическим пирометром. Внешний вид образцов после 

испытаний приведен на рис. 4.3. 

 

 

 
 
Рис. 4.3. Внешний вид поверхно-
сти (а, б) и зоны расплава (в) об-
разцов после испытаний:  
а 

− образцы, испытанные в струе 

ЭДП (1 

− чистая КСК, Т

w 

= 2610 К;  

2 

− кварцевое стекло, Т

w 

= 2590 К;  

3 

− легированная КСК  

(0,5

−1% Сr

2

О

3

 ), Т

w 

= 2620 К);  

б 

− образцы, испытанные в струе 

стенда ЖРД-2М (1 

− чистая КСК,  

Т

w 

= 2450 К; 2 

− кварцевое стекло, Т

w 

= 2360 К; 3 

− легированная КСК, Т

w 

= 2600 К);  
в 

− зона расплава (1−3 – легирован-

ная КСК, Т

w

 = 2490, 2620, 2800 К) 

 

 

В первой серии экспериментов ставилась задача оценить влияние степени прозрачности мате-

риала  на  его скорость  разрушения. Поскольку в  случае прозрачного  материала  член,  учитывающий 
излучение,  не  должен  входить  в  баланс  тепла  на  внешней  поверхности [2] сравнение  расчетных  и 
экспериментальных данных для рассматриваемых материалов может служить косвенным доказатель-
ством их прозрачности. Выражение для расчета скорости уноса, полученное в [2], можно записать в 
виде 

(4.1)

 

          

          

          

          

          

, 

)

(

)]

(

[

)

(

)

/

(

4

0

w

w

e

w

w

w

e

p

T

H

I

I

Q

T

n

I

I

c

V

G

+

−

γ

+

∆

Γ

εσ

+

−

α

=

ρ

=

∞

Σ

 

4.1. Выбор эталонного материала для экспериментального исследования закономерностей теплового  
       разрушения 

 

84 

 

где 

 

 ,

p

c

ρ

− плотность и теплоемкость материала; 

Σ

G

− скорость уноса массы; 

∞

V

− квазистационарное 

значение  линейной  скорости  уноса  массы; 

0

)

/

(

p

c

α

−  коэффициент  теплообмена;  γ  −  коэффициент 

вдува; 

I

e

 

− энтальпия торможения; I

w 

− энтальпия газа при температуре нагретой поверхности 

w

T ;  

0

T  

− температура непрогретого материала; 

ε

 

− степень черноты поверхности; 

σ  − постоянная Сте-

фана-Больцмана; 

Γ  − коэффициент газификации; 

w

Q

∆

 

− тепловой эффект физико-химических пре-

вращений на поверхности; )

(

)

(

0

T

T

c

T

H

w

p

w

−

=

− теплосодержание материала при 

w

T . 

 

При расчете по формуле (4.1) коэффициент 

n для кварцевого стекла принимался равным 0, для 

чистой  стеклокерамики 

− 1/2, а  для  легированной  − 1. Таким  образом,  допускалось,  что  кварцевое 

стекло является прозрачным, чистая стеклокерамика 

− полупрозрачным, а легированная − непрозрач-

ным материалами. Интегральная степень черноты чистой и легированной керамики определялась по 
данным [127]. Плотность кварцевого стекла принималась равной 2200 кг/м

3

. Среднеинтегральная те-

плоемкость 

− 1,3 кДж/(кг·К) [128]. Доля испарения находилась по методике [124] (см. раздел 4.5) По-

грешность определения скорости линейного уноса в этих экспериментах не превысила 15%. 

Полученные результаты подтвердили экспериментальные данные работы [129], где на электро-

дуговой установке испытывались образцы прозрачного и непрозрачного кварцевого стекла со степе-
нью  черноты 0,5. Испытания  проводились  в  сверхзвуковом  потоке  при  давлении  торможения 0,13· 
10

3

 Па и энтальпии торможения 18 820 кДж/кг. В этой работе отмечено, что изменение оптических 

свойств кварцевого стекла может привести к двухкратному изменению скорости его разрушения. В 
работе [107] указывается,  что  влияние  оптических    свойств  покрытия  на  его  характеристики  уноса 
массы при конвективном нагреве тем сильнее, чем ближе величина лучистого теплового потока, ис-
пускаемого покрытием в окружающую среду, к величине теплового потока, подводимого к поверх-
ности. Известно, что это реализуется при достаточно малых значениях энтальпии торможения. Такой 
же вывод следует из данных, приведенных в табл. 4.1. 

 

Таблица 4.1 

− Скорость уноса кварцевого стекла, чистой и легированной кварцевой 

стеклокерамики 

(1 – эксперимент, 2 – расчет по (4.1)) 

 

3

10

−

∞

⋅

V

, м/с 

Материал 

к

q , 

кВт/м

2 

e

I , 

кДж/кг 

w

T , 

К 

Г 

1 2 

Легированная стеклокера-
мика (0,5–1,0% Cr

2

O

3

) 

7650 

11 500 
14 700 

8600 

12 300 

4700 

2620 
2800 
2600 

0,57 
0,82 

0,1 

0,1 

0,18 
0,18 

0,12 
0,17 
0,17 

 

Чистая стеклокерамика  
(100% SiO

2)

 

7650 

11 500 
14 700 

8600 

12 300 

4700 

2610 
2710 
2450 

0,61 
0,83 

<0,1 

0,17 
0,28 
0,29 

0,19 
0,24 

- 

 

Кварцевое стекло 7650 

11 500 

 

8600 

12 300 

 

2590 
2660 

0,58 

0,8 

0,22 
0,29 

0,21 
0,24 

 

Из табл. 4.1 видно, что при одних и тех же условиях нагрева скорость уноса кварцевого стекла 

в  два  раза  превышает  скорость  разрушения  легированной  керамики,  что  вполне  удовлетворительно 
согласуется с расчетными данными. Хотя такие расчеты являются приближенными, они дают качест-
венную оценку влияния степени прозрачности материала на скорость его разрушения и подтвержда-
ют вывод о том, что в первом приближении легированную окисью хрома кварцевую керамику в ус-
ловиях конвективного нагрева можно считать непрозрачным материалом. 

Во  второй  серии  экспериментов  было  необходимо  оценить  характерные  температуры  превра-

щений и определить, в том числе, температуру изменения окраски в чистой, и особенно в легирован-
ной кварцевой стеклокерамике. 

Кварцевая керамика является аморфным материалом, поэтому четко выраженной температуры 

плавления не имеет. За температуру изменения состояния кварцевой керамики, как и кварцевого  
 

Глава 4. Поглощения тепла при прогреве и тепловом разрушении поверхности материала

 

 

85

 
стекла, принимается температура перехода из твердого состояния (когда вязкость выше 10

14

–10

15 

П) в 

размягченное. По данным разных авторов, она изменяется от 1410 до 1640 К. 

Предварительные сведения о значениях температур, соответствующих структурным изменени-

ям  в  кварцевой  стеклокерамике,  можно  получить  из  диаграммы  состояния  чистого  кремнезема  по 
Прянишникову [130]. Из этой диаграммы следует, что, начиная с температуры 1700 К, 

α−кварц ис-

пытывает одновременно два превращения: 

α−кристобалит и расплав переменной плотности, который 

при температуре 2000 К переходит в расплав. При высоких темпах и коротких временах нагрева  
(~60 с) КСК можно пренебречь образованием кристобалита и считать, что материал при температуре 
выше 1700 К представляет собой только аморфную фазу переменной плотности, которая при дости-
жении температуры 2000 К полностью переходит в расплав. Кварцевая стеклокерамика представляет 
собой пористый материал белого цвета. При нагревании выше 1800 К одновременно с увеличением 
плотности  повышается  его  прозрачность  и  цвет  от  белого  переходит  к  матовому [126]. Изменение 
окраски при высоких температурах еще более присуще легированной КСК. Добавка всего лишь 0,5–
1%  окиси  хрома  дает  возможность  получить  четкую  границу  раздела,  по-видимому,  соответствую-
щую началу плавления материала (рис. 4.3, 

в). 

Чтобы  определить  температуру  структурных  превращений,  соответствующую  изменению  ок-

раски  образца,  и  ее  зависимость  от  условий  и  режима  нагрева,  проводился  визуальный  осмотр  по-
верхности образцов, испытанных при временах нагрева от 0,3 до 1 с при конвективном и до 60 с при 
радиационном  нагреве.  Для  расчета  температуры  в  момент  появления  интенсивного  зеленого  цвета 
для легированной кварцевой стеклокерамики и повышения прозрачности вследствие оплавления по-
верхности образцов чистой керамики использовались зависимости яркостной температуры от време-
ни нагрева и значения спектральных степеней черноты, приведенные в табл. 4.2. 

 

Таблица 4.2 

− Значения степеней черноты для длины волны 0,65⋅10

-6 

м, 

принятые при расчете 

температуры поверхности кварцевого стекла, чистой и легированной КСК 

 

)

(

λ

ε

 

Материал 

 

w

T , К 

ЭДП 

ЖРД-2М 

Чистая КСК (100% SiO

2

) 1500–2000 

2000–

w

T

 

0,4 

0,64 

0,4 

0,4 

Легированная КСК (0,5 – 1,0% Cr

2

O

3

) 1500–2000 

2000–

w

T

 

0,65 

0,83 

0,65 

0,7 

Кварцевое стекло 

1700–

w

T

 

0,25 0,25 

 

Степень черноты КСК взята из работы [127], а также определялась по методике, описанной в 

разд. 4.6, и приведена в работах [119, 131]. 

Было установлено, что во всех рассмотренных условиях нагрева в диапазоне тепловых потоков 

6000

−14 700 кВт/м

2

 эта температура равна ~1800 К. 

С помощью петрографического анализа образцов было показано, что структурные изменения в 

момент достижения температуры 1800 К соответствуют началу плавления кварцевой стеклокерами-
ки. При этой температуре происходит сближение частиц со значительной потерей формы и уменьша-
ется пористость материала. Окись хрома в стекле растворяется частично [132] и в основном находит-
ся в виде неравномерно распределенных включений. Модификационные превращения, в том числе и 
кристобалит, ни в одном из трех материалов вообще не обнаружены. Такой вывод также подтвержден 
результатами измерений диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь в КСК. При темпе-
ратурах ~1800 К происходит резкое изменение этих параметров, очевидно, связанное с повышением 
плотности материала вследствие его плавления [126]. 

Металлографический анализ показал, что зону материала, отличающуюся от исходной, можно 

разделить на две: расплав и зону размягчения. В зоне размягчения пористость материала уменьшает-
ся от 2 до 10 раз только за счет сближения частиц (форма пор такая же, как в исходном материале). 
Толщина зоны размягчения составляет (0,3

−0,5)·10

-3

м и не зависит от условий нагрева. Пористость