材料的热稳定性共26页文档
材料物理性能课件-1.5材料的热稳定性
抗热冲击损伤性能
n第五抗热冲击损伤因子:
R
2 eff E
2 f
1
n2eff为断裂表面能（单位为J/m2）
n用来比较具有不同断裂表面能的材料。
continue
抗热冲击断裂与抗热冲击损伤
nR、R和R从避免裂纹产生来防止材料的热冲
击断裂破坏，适用于致密型材料; nR和R从阻止裂纹扩展来避免材料的热冲击损
1、提高材料的强度，减小弹性模量E; 2、提高材料的热导率； 3、减小材料的热膨胀系数； 4、减小表面散热系数h； 5、减小产品的有效厚度rm。
continue
抗热冲击损伤性能
n对于一些含微孔的材料和非均质的材料，裂 纹的瞬时扩展过程可以被微孔、晶界或金属相 所吸收，不致引起材料的完全断裂，即材料发 生热冲击损伤破坏。
R
f 1
E
R
nR的单位为J/(m·s)。
continue
抗热冲击断裂性能
对厚度2rm的无限大平板材料，可得其允许的最
大冷却速率：
(
dT dt
)
max
cP
f
(1
E
)
3 r2
m
第三热应力断裂抵抗因子R:
R
cP
f
1
E
cP
R
R
cP
ρ为材料密度(单位kg/m3)，cP为定压比热容
continue
提高抗热冲击断裂性能的措施
continue
抗热冲击损伤性能
n裂纹的产生和扩展与材料中积存的弹性应变能 和裂纹扩展所需的断裂表面能有关。当弹性应
变能小或断裂表面能大时，裂纹不易扩展，材
料的热稳定性就好。
n第四抗热冲击损伤因子:
(优选)材料的热稳定性
对非薄板材料
抗热冲击断裂性能
第一热应力抵抗因子 R
温差的影响
第二热应力抵抗因子 R'
热导率λ 传热的途径 材料表面散热率
第三热应力抵抗因子 R''
以强度—应力 为判据
导温系数
第四节 材料的热稳定性
热稳定性的表示方法 热应力及第一热应力断裂抵抗因子 抗热冲击损伤性 提高抗热冲击断裂性能的措施 梯度功能材料
ZrO2-CrNi合金FGM横截 面，白色的陶瓷粉末与黑 色的合金粉末含量呈连续 性梯度变化，没有明显的 界面。
金属-陶瓷构成的热应力缓和梯度功能材料，对高 温侧壁采用耐热性好的陶瓷材料，低温侧壁使用导 热和强度好的金属材料。
➢ 材料从陶瓷过渡到金属的过程中，耐热性逐渐降低，机 械强度逐渐升高。
➢ 热应力在材料两端均很小，在材料中部过渡区达到峰值 (比突变界面的应力峰值小得多)，
5. 梯度功能材料
➢ 1987年，日本平井敏雄、新野正之和渡边龙三人提出使金 属和陶瓷复合材料的组分、结构和性能呈连续变化的热防 护梯度功能材料的概念。
➢ 1990年，日本召开第一届梯度功能材料国际研讨会。
梯度复合管
➢ 1993年，美国国家标准技术研究所开始以“开发超高温耐 氧化保护涂层”为目标进行梯度功能材料研究。
（优选）第五讲材料的热稳 定性
中国矿业大学 材料科学与工程学院
示例
汽车尾气处理用催化剂载体主要是蜂窝 陶瓷，目前国外对蜂窝陶瓷载体的研究 已较成熟，主要为莫来石、氮化硅、碳 化硅等。目前研究工作主要集中在降低 热膨胀系数，提高抗热震性和改善成型 工艺、烧成工艺等。
第四节 材料的热稳定性
热稳定性的表示方法 热应力及第一热应力断裂抵抗因子 抗热冲击损伤性 提高抗热冲击断裂性能的措施 梯度功能材料
材料热学性能之材料的热稳定性
材料热学性能之材料的热稳定性引言材料的热学性能是指材料在受热或加热过程中的物理和化学性质的变化。
其中，材料的热稳定性是评估材料在高温条件下是否能够维持其结构和性能的重要指标。
在许多工业和科学应用中，材料需要能够承受高温环境，并且保持其稳定性，以保障系统的安全和可靠性。
本文将探讨材料的热稳定性及其影响因素，并介绍一些常见的提高材料热稳定性的方法。
材料的热稳定性影响因素材料在高温环境中的热稳定性受到多种因素的影响，包括化学成分、晶体结构、晶格缺陷等。
化学成分材料的化学成分对其热稳定性有着重要的影响。
化学成分中的元素可以通过改变材料的化学键强度和键长，从而影响材料的热稳定性。
例如，添加一些稳定剂可以减少材料在高温下的氧化或分解反应。
晶体结构材料的晶体结构也对其热稳定性发挥着重要作用。
晶体结构中的晶体缺陷（如点缺陷、位错等）可以导致结构的不稳定性，使材料在高温下容易发生相变或失去特定的性能。
晶格缺陷晶格缺陷是指材料中存在的缺陷，如空位、附加原子等。
这些缺陷可以导致晶体结构的不稳定性，并在高温下促使材料发生相变或失去稳定性。
提高材料热稳定性的方法为了提高材料在高温环境中的热稳定性，科学家和工程师们开发了多种方法。
以下是一些常见的提高材料热稳定性的方法：材料合金化合金化是指向材料中引入其他元素以改变其化学成分的过程。
通过选择合适的合金元素，可以改善材料的稳定性，防止其在高温下发生相变或分解反应。
例如，钴基高温合金在高温环境中具有较高的热稳定性，广泛应用于航空发动机等领域。
表面涂层表面涂层是在材料表面涂覆一层特殊材料以提高其热稳定性。
这种方法可以保护材料免受高温氧化或化学反应的影响。
例如，涂覆一层陶瓷涂层可以提高金属材料的热稳定性，并延长其使用寿命。
晶体工程晶体工程是通过改变材料的晶体结构来提高其热稳定性。
这可以通过调整晶体结构中的晶格缺陷或控制晶体生长过程来实现。
例如，通过合适的晶体工程方法，可以改善半导体材料在高温环境下的性能稳定性。
材料的热稳定性研究与评价
材料的热稳定性研究与评价引言：在现代科技的发展中，材料的热稳定性一直是研究的重点之一。
热稳定性是指材料在高温环境下的稳定性能，研究和评价材料的热稳定性对于材料的使用和应用有着重要意义。
本文将探讨材料的热稳定性研究与评价的重要性以及常见的研究方法和技术。
第一部分：热稳定性的重要性热稳定性是材料在高温环境中的性能表现，对于各行业的材料应用都至关重要。
例如，在汽车工业中，发动机材料的热稳定性决定了汽车的耐高温性能；在航空航天工业中，航天器的外部材料需要经受极端的高温环境，其热稳定性直接关系到航天器的安全性能。
因此，研究和评价材料的热稳定性对于材料行业的发展和进步具有重要意义。
第二部分：热稳定性研究的方法1. 热失重分析法热失重分析法是一种常见的研究材料热稳定性的方法。
该方法通过加热样品并测量样品质量的变化，可以得到样品随温度变化的热分解情况。
通过对不同温度下的热失重曲线进行分析，可以评估材料在高温下的热稳定性能。
2. 红外光谱分析红外光谱方法可以用来研究材料的结构和化学性质，进一步研究材料的热稳定性。
通过红外光谱的变化可以判断材料在高温下是否发生了化学反应或结构改变，从而评价材料的热稳定性。
3. 差示扫描量热法差示扫描量热法是一种测量材料在加热或冷却过程中释放或吸收的热量的方法。
通过测量材料的热量变化可以得到材料的热分解温度和热稳定性。
这种方法在研究材料在高温环境中的行为以及材料的热稳定性评价中具有广泛的应用。
第三部分：热稳定性的评价研究材料的热稳定性需要进行科学的评价，常见的评价指标包括：1. 熔点和热分解温度：热分解温度是指材料开始分解的温度，可以通过前述的差示扫描量热法来测定。
熔点则是材料的熔化温度，也是评价材料热稳定性的重要指标。
2. 完全分解温度：完全分解温度是指材料在高温下完全失重的温度，通过热失重分析等方法可以获得。
完全分解温度越高，说明材料在高温下的稳定性越好。
3. 结构性能：研究材料的热稳定性也需要关注材料的结构性能变化。
材料热学性能之材料的热稳定性
• 这一现象按强度-应力理论就不能解释。应 从断裂力学观点出发，以应变能一断裂能为判 据的理论。
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
•2．抗热应力损伤因子R″′ 、R″″
• 对于通常在对流及辐射传热条件下观察到的比较低的 表面传热系数，S.S.Manson发现 [ ]max=0.31 。即
•
，另
,
•令
所以
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
——第二热应力因子（J/(cm·s)），
见图3.17。
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
• 3．冷却速率引起材料中 的温度梯度及热应力
见图3.15。
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
根据广义虎克定律：
解得：
• 在t=0的瞬间，
，如果此时达到材料
的极限抗拉强度σf，则前后二表面将开裂破坏，代入上 式：
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
•对于其它非平面薄板状材料制品
•式中：S＝形状因子（shape factor），μ＝泊松比。
•三、抗热冲击断裂性能
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
• 当平板表面以恒定速率 冷却时，温度分布呈抛物线
，表面Ts比平均温度Ta低， 表面产生张应力σ+，中心温 度Tc比Ta高，所以中心是压 应力σ－。假如样品处于加热 过程，则情况正好相反。
• 实际无机材料受三向热应力，三个方向都会有涨缩 ，而且互相影响，下面分析一陶瓷薄板的热应力状态，
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
• 例如，一块玻璃平板从373K的沸水中掉入273K的 冰水溶中，假设表面层在瞬间降到273K，则表面层趋 于的收缩，然而，此时内层还保留在373K，并无收缩 ，这样，在表面层就产生了一个张应力。而内层有一 相应的压应力，其后由于内层温度不断下降，材料中 热应力逐渐减小，见图3.14。
材料热稳定性
材料热稳定性
材料的热稳定性是指材料在高温环境下的稳定性能，是一个重要的材料性能指标。
材料在高温环境下的稳定性能直接影响着材料的应用范围和使用寿命。
因此，研究材料的热稳定性对于材料的设计、制备和应用具有重要意义。
首先，材料的热稳定性与材料的化学结构密切相关。
在高温环境下，材料分子内部的键合和分子结构会发生变化，从而影响材料的性能。
一些有机材料在高温下容易发生分解、氧化等反应，导致材料性能下降甚至失效。
因此，设计和选择具有良好热稳定性的材料是至关重要的。
其次，材料的热稳定性与材料的热分解温度密切相关。
热分解温度是指材料在高温下开始分解的温度。
热分解温度越高，说明材料在高温环境下的稳定性越好。
因此，提高材料的热分解温度是提高材料热稳定性的重要途径之一。
可以通过改变材料的结构、添加稳定剂等方式来提高材料的热分解温度，从而提高材料的热稳定性。
另外，材料的热稳定性还与材料的热氧化稳定性密切相关。
热氧化稳定性是指材料在高温下与氧气发生氧化反应的抵抗能力。
一些高分子材料在高温下容易发生氧化反应，导致材料性能下降。
因此，提高材料的热氧化稳定性也是提高材料热稳定性的重要途径之一。
可以通过添加抗氧化剂、改变材料的结构等方式来提高材料的热氧化稳定性，从而提高材料的热稳定性。
综上所述，材料的热稳定性是一个重要的材料性能指标，与材料的化学结构、热分解温度、热氧化稳定性等密切相关。
研究材料的热稳定性对于材料的设计、制备和应用具有重要意义，可以通过改变材料的结构、添加稳定剂、抗氧化剂等方式来提高材料的热稳定性，从而拓展材料的应用范围，提高材料的使用寿命。
材料力学性能---热稳定性
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2. 对于多孔、粗粒、干压和部分烧结的制品，目的是提 高抗热冲击损伤性能，措施有： 降低材料的强度σf，提高弹性模量E，使 材料在胀缩时所储存的用以开裂的弹性 应变能小； 选择断裂表面能2reff大的材料，一旦开裂 就会吸收较多的能量使裂纹很快止裂。
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2. 热应力的计算 (1) 平面陶瓷薄板：
αl E σx =σz = ∆T 1− µ
在t = 0的瞬间， σ x=σz=σmax，如果正好 达到材料的极限抗拉强 度σf ，则前后两表面开 平面陶瓷薄板的热应力图 裂破坏，从而得材料所 能承受的最大温差为： (2) 对于其他非平面薄板状材料：
∆Tmax
适用于一般的玻璃、陶瓷和电子 陶瓷材料
Anhui University of Technology
Materials Physics Properties
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1. 第一热应力断裂抵抗因子R
σ f (1 − µ ) 由 ∆Tmax = 可知： Tmax值越大，说明材料能承 αl E 受的温度变化越大，即热稳定性越好。
3 2 rm
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Materials Physics Properties
1.5 热稳定性
四、抗热冲击损伤性能
对于一些含有微孔的材料和非均质金属陶瓷，裂纹在瞬 时扩张过程中，可能被微孔和晶界等所阻止，而不致引起材 料的完全断裂。 考虑问题的出发点： 从断裂力学的观点出发，以应变能-断裂能为判据，即 材料的破坏不仅是裂纹的产生（包括原材料中的裂纹），而 且还包括裂纹的扩展和传播，尽管有裂纹，但当把它抑制在 一个很小的范围，也可能不致使材料的完全破坏。
材料热稳定性分析
材料热稳定性分析材料热稳定性是指材料在高温条件下是否能够保持其性能和形状的能力。
高温会引起一系列材料的物理、化学、结构和力学变化，因此材料热稳定性分析对于高温应用领域的材料选型、设计优化和使用寿命的评估具有重要意义。
1.高温引起的材料变化高温可引起多种材料变化，主要包括以下几个方面：（1）化学变化：材料中的化学键可由于高温裂解或结合变得更加稳定，导致材料的化学成分发生变化。
（2）微观结构变化：材料中的晶体结构和晶粒尺寸会随着高温的作用而发生变化，包括晶格的缩放、错位、析出、再溶和再结晶等。
（3）物理变化：材料的物理性质会发生改变，例如电导率、热传导率、热膨胀系数、磁性能等。
（4）力学性能变化：氧化、腐蚀和生锈等对材料的力学性能产生极大的影响，材料在高温下还可能发生拉伸、弯曲、断裂等力学变化。
2.材料热稳定性分析方法材料热稳定性分析方法包括工程测量法、热分析法和微观分析法等。
（1）工程测量法：通过对材料在高温下的形状、尺寸、重量、材料伸长率等方面进行实验测量，来分析材料在高温下的稳定性。
（2）热分析法：热重分析、热膨胀分析和差热分析等专用仪器可以通过加热样品并记录样品重量、长度、热量等参数的变化，来评估材料在高温下的化学、物理、结构和力学性质变化，可以用来判断材料的高温稳定性。
（3）微观分析法：透射电子显微镜、扫描电子显微镜和X射线衍射等技术可以对热稳定性变化的微观结构进行分析和观察，包括晶粒、晶体结构、相变等。
3.材料的选择与设计对于要求高温稳定性的材料和构件来说，材料的选择及设计至关重要。
（1）材料要选择具有高温稳定性的材料，如高温合金、耐火材料等，还要考虑材料的成本、可加工性和配套性等。
（2）构件的设计应该尽可能地减少热应力的集中，材料内部的孔洞和缺陷应该进行修补，减少材料的缺陷和故障的发生。
（3）处理过程的优化，如熔炼和热处理等的加工工艺和调控方法，可以改善材料的高温稳定性。
4.结论材料热稳定性分析是对材料高温应用性能评估的重要手段，对于选择和设计高温应用材料和构件具有基础性和指导性的意义。