Electrode-dependent Joule heating in soda lime silicate glass during flash processes

闪烧过程中钠钙硅酸盐玻璃中电极依赖的焦耳加热

论文亮点

• 通过改变电极材料，可以定制和控制钠钙硅酸盐玻璃中的焦耳加热行为。
• 使用熔融NaNO₃电极可以实现均匀的温度分布，而铂电极会导致高度不均匀的加热。

研究背景

• 电流辅助技术（ECAPs）是减少21世纪工业碳足迹的有前途的途径，但硅酸盐玻璃中的焦耳加热在直流电场下高度不均匀，限制了其发展。
• 最近的研究表明，电极配置可以改变焦耳加热行为，例如在闪烧过程中，阳极区域总是过热。
• 本研究旨在探索电极材料选择如何影响钠钙硅酸盐玻璃中的焦耳加热，并尝试实现均匀加热。

研究方法

• 使用商业钠钙硅酸盐浮法玻璃，成分为：71.4% SiO₂, 1.0% Al₂O₃, 13.9% Na₂O, 0.3% K₂O, 4.1% MgO, 9.1% CaO, 0.2% 其他。
• 样品制备：将玻璃切割成条状样品，长度为20.0±1.5 mm，横截面积为16.0±2.0 mm²。
• 电极配置：两种配置：(i) 使用铂糊和Pt-Rh磁盘作为电极；(ii) 阴极使用铂，阳极浸泡在熔融NaNO₃中。
• 实验过程：在环境空气中加热至400±15°C，然后施加直流电场，直到电流达到电源限制（0.3-4 mA/mm²）。关闭热枪，仅靠焦耳效应加热。
• 数据记录：使用数字万用表记录电流和电压，使用数码相机和热像仪记录实验过程。热像仪发射率设置为0.97。
• 分析：比较电场、温度分布和元素组成（通过EDS分析）。

主要结论

• 焦耳加热和电性能高度依赖于电极材料的选择：使用熔融NaNO₃电极可以实现均匀加热，而铂电极会导致阳极区域局部过热。
• 电极材料影响介电强度和电场稳定性：铂电极需要更高的电场启动电流，且电场不稳定；NaNO₃电极则稳定且均匀。
• 使用NaNO₃阳极时，碱金属离子迁移被补偿，避免了碱金属耗尽层的形成，从而实现了均匀加热。

图1: 电场随时间的变化

图1: 使用铂和熔融NaNO₃电极在不同电流密度下施加在钠钙硅酸盐玻璃样品上的电场（平均测量）。

分析结果: 该图显示了使用铂电极和熔融NaNO₃电极时，电场随时间的变化。铂电极在实验开始时出现电场尖峰，且电场不稳定、噪声大；而NaNO₃电极的电场曲线平滑稳定。这表明电极材料显著影响电场的启动和稳定性，铂电极需要更高的介电强度来启动电流。

图2: 使用铂电极时的热像图和数字相机图像

图2: 使用固体铂电极时，钠钙玻璃在不同电流密度下的数字相机和热像仪视频截图。

分析结果: 这些图像显示，使用铂电极时，阳极区域出现明亮的发光和移动的热点，表明局部过热。热点温度比样品其他区域高数百摄氏度，这是由于碱金属离子迁移导致阳极形成高电阻层，引起介电击穿和不均匀加热。

图3: 使用NaNO₃电极时的热像图和数字相机图像

图3: 使用熔融NaNO₃电极在阳极侧时，钠钙硅酸盐玻璃在不同电流密度下的数字相机和热像仪视频截图。

分析结果: 与图2对比，使用NaNO₃电极时，热点完全消失，加热变得均匀。即使在较高电流和长时间处理下，也没有出现局部过热。这是因为NaNO₃电极提供了钠离子，补偿了迁移，避免了碱金属耗尽层的形成。

图4: 温度分布和EDS分析

图4: 使用铂和熔融NaNO₃电极时的温度分布（从图2和图3提取数据）以及EDS光谱。

分析结果: 温度分布图显示，铂电极导致阳极区域温度极高，而NaNO₃电极温度均匀。EDS分析证实：使用铂电极时，阳极区域钠信号减弱，表明碱金属耗尽；使用NaNO₃电极时，阳极组成与原始玻璃相似，钠离子得到补充。这支持了电极材料通过影响离子迁移来调控加热均匀性的机制。