第五讲 材料的热稳定性
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。
材料的稳定性名词解释
材料的稳定性名词解释材料的稳定性在科学和工程领域中是一个重要的概念。
稳定性指的是物质或材料在特定条件下保持其结构、性能和功能的能力。
这个概念适用于各种材料，如金属、陶瓷、聚合物等，以及大量的物理、化学和力学过程。
1. 定义与背景材料的稳定性是指在正常使用条件下，材料不会发生不可逆的宏观结构和性能的变化。
当材料失去稳定性时，其原子、分子、晶体结构可能会发生变化，导致其性能和功能降低或完全丧失。
因此，研究和评估材料的稳定性对于设计和制造高质量和可靠的产品至关重要。
2. 热稳定性热稳定性是指材料在高温下的稳定性特征。
在高温下，材料的结构和性能可能会发生变化，导致熔化、融化、老化、分解等现象。
对于需要在高温环境下工作的材料，比如引擎部件、高温电子器件，热稳定性是一个关键的指标。
为了评估材料的热稳定性，可以使用热失重分析、热差示扫描量热仪、热膨胀测量等仪器。
这些测试方法可以测量材料在不同温度下的质量、热行为和尺寸变化，从而评估材料的热稳定性和热分解温度。
3. 化学稳定性化学稳定性是指材料在各种化学环境和反应条件下的稳定性特征。
不同的化学物质和材料在接触到不同的气体、液体或溶液时，可能发生氧化、腐蚀、酸碱中和等化学反应。
对于需要在恶劣化学环境下使用的材料，比如酸碱容器、耐腐蚀金属等，化学稳定性是一项至关重要的性能指标。
评估材料的化学稳定性可以使用酸碱溶液浸泡实验、电化学测试和化学分析等方法。
这些测试方法可以模拟不同的化学环境，并测量材料在化学反应中的性能和稳定性。
4. 结构稳定性结构稳定性是指材料的纳米结构、晶体结构、组分和微观结构在应力和变形下的稳定性特征。
应力和变形可能导致材料发生塑性变形、疲劳破坏、应力开裂等现象。
对于需要承受重载或高应力的材料，比如建筑材料、航空材料，结构稳定性是一个关键的性能指标。
评估材料的结构稳定性可以使用拉伸测试、压缩测试、弯曲测试等力学测试方法。
这些测试方法可以测量材料在应力和变形下的结构和性能变化，从而评估材料的结构稳定性和抗应力开裂能力。
材料的热稳定性
中的σ 中的σ
用弹性应变释放率G表示。 用弹性应变释放率G表示。
πcσ 2 将，G = E
R′ = GE
即 σ=
GE πc
代入第二热应力
断裂抵抗因子表示式，得： 断裂抵抗因子表示式，
λ 1 G λ × (1 − µ ) = × (1 − µ ) πc Eα πc E α G λ 表达裂纹抗破坏的能力。 表达裂纹抗破坏的能力。 × E α
式中：2γeff为断裂表面能（J/m2）。 R″′ 实际上是材料的弹性应变能释放率的倒数， 用来比较具有相同断裂表面能的材料。 R″″ 用来比较具有不同断裂表面能的材料。 R″′ 或R″″ 值高的材料抗热应力损伤性好。
3．裂纹安定性因子
D．P．H．Hasselman曾试图统一上述二种理论。 Hasselman曾试图统一上述二种理论。 曾试图统一上述二种理论
（3）高温陶瓷热稳定性的评定及测试方法
高温陶瓷材料是以加热到一定温度后， 高温陶瓷材料是以加热到一定温度后 ， 在水中 急冷， 急冷 ， 然后测其抗折强度的损失率来评定它的热 稳定性。 稳定性。
二、热应力
式中：σ＝内应力（thermal stress），E＝弹性模量 （elastic modulus），α＝热膨胀系数（heat expansion coefficient）， ＝弹性应变（elastic strain）。
1．抗热应力断裂抵抗因子的局限性
抗热冲击断裂是从热弹性力学的观点出发， 以强度-应力为判据，认为材料中热应力达到抗 张强度极限后，材料就产生开裂，一旦有裂纹 成核就会导致材料的完全破坏。 而实际上有些材料在热冲击下产生裂纹，即 使裂纹是从表面开始，在裂纹的瞬时扩张过程 中也可能被微孔、晶界或金属相所阻止，而不 致引起材料的完全断裂。 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。
材料的热传导与热稳定性-2022年学习资料
热流法测量原理-Hot Plate-Heat Flux Transducer-Test-Direction of-Sample-Heat Flow-Cold Plate-△A-2=元，R2.8-8-h-NETZSC HFM436 Lambda热流法导热-仪，适用于绝热材料。
保护热流法导热仪：-保护热板法导热仪：-HOT PLATE-Top Heat Sink-Insulatio -He主r-HALVH VN9-Direction of-Top Sample-TEST SAMPLE-O ter-heat flow-GUARD HEATER-Guard--VWVW--W-Heater-Bott m Sample-HEAT FLUX TRANSDUCER-Auxiliary一VWwW--COLD PL TE-Bottom He主Sink
固体材料热传导的微观机理-固体导热：电子导热，声子导热和光子导热。-热传导过程：材料内部的能量传输过程-能 的载体：电子-（德布罗意波-格波：声频波的量子-光子（电磁波-金属：主要是电子导热为主-合金/半导体：电子 声子导热，-绝缘体：声子导热
热传导的物理机制-声子热传导：-声子从高浓度到低浓度区域的扩散过程。-热阻：-声子扩散过程中的各种散射。=ō+ōT-热传导系数：-九=？cvl-其中，C:声子比热容；V:声子传播速度；：声子平均自由程。
显微结构的影响-0.04-0.03-单品Ti02-平行于c轴-多晶hl-单10-品拉尺寸为17μ口-0.0 -品粒尺寸为胡口-0.D1-单品Ti0z垂直于e轴-单Caz-多品T10运-多晶CaFg-28μ1-200 400-G00-800-1000-1200-T℃-几种不同晶型的无机材料热导率与温度的关系
影响热导率的因素-1.温度的影响-2.显微结构的影响-3.化学组成的影响-4.气孔的影响
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，以保障系统的平安和可靠性。
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响。
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。
通过选择适宜的合金元素，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响。
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。
外表涂层外表涂层是在材料外表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响的影响。
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，通过适宜的晶体工程方法，可以改善半导体材料在高温环境下的性能稳定性。
5.5材料的热稳定性
• 3．减小材料的热膨胀系数 ． • 4．减小表面热传递系数 h。 ． 。 • 5．减小产品的有效厚度。 ．减小产品的有效厚度。
二、抗热冲击损伤性
抗热冲击断裂性，以强度 应力 应力（ 抗热冲击断裂性，以强度—应力（strengthstress）理论为判据，认为材料中热应力达到抗张强 ）理论为判据， 度极限后，材料产生开裂、破坏。这适应于玻璃、 度极限后，材料产生开裂、破坏。这适应于玻璃、陶 瓷等无机材料。 瓷等无机材料。 能— 抗热 冲击损 伤性 ， 以应变 能 断 裂能 （ strainfracture energy）为判据，认为在热应力作用下，裂 ）为判据，认为在热应力作用下， 纹产生， 纹产生，扩展以及蔓延的程度与材料积存有弹性应变 能和裂纹扩展的断裂表面能有关。 能和裂纹扩展的断裂表面能有关。
另外， 另外，令
，式中
＝毕奥模数，且 毕奥模数，
无
ห้องสมุดไป่ตู้
单位， ＝定义为如果材料表面温度比周围环境温度高1K， 单位，h＝定义为如果材料表面温度比周围环境温度高 ， 在单位表面积上 ， 单位时间带走的热量 ， 材料的半厚（ ） 数， —材料的半厚（cm）。 材料的半厚 —导热系 导热系
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， 表面传热系数，S.S.Manson发现 [ 发现 ]max=0.31 。即
2．第二热应力断裂抵抗因子R′ ．第二热应力断裂抵抗因子
在无机材料的实际应用中，不会象理想骤冷那样， 在无机材料的实际应用中，不会象理想骤冷那样，瞬时 产生最大应力 ，而是由于散热等因素，使 而是由于散热等因素， 滞后 ，
发生，且数值也折减，设折减后实测应力为 令 ，其中 ＝无因次表面应力，见图3.16。 无因次表面应力，见图 。
高分子材料的热稳定性与退火行为
高分子材料的热稳定性与退火行为随着科技的发展和进步，高分子材料在现代工业中得到了广泛的应用。
高分子材料具有许多优点，如轻质、耐腐蚀、绝缘性能好等。
然而，在高温环境下，高分子材料往往会出现热稳定性差、退火等问题。
本文将重点介绍高分子材料的热稳定性与退火行为，并探讨如何提升其热稳定性。
首先，我们来谈谈高分子材料的热稳定性。
高分子材料通常是通过聚合反应得到的，并且具有长链结构。
在高温下，长链结构很容易发生断裂和交联反应，导致材料性能下降。
此外，热稳定性也与高分子材料的分子结构有关。
一些高分子材料中的化学键结构不稳定，容易发生热解，导致材料的性能受到损害。
为了提高高分子材料的热稳定性，科学家们采取了一系列措施。
一种常见的方法是添加热稳定剂。
热稳定剂是能够延缓高分子材料热解过程的化学物质。
它可以在高温下吸收热量，阻止或减缓热解反应的进行。
热稳定剂的选择要注意其化学稳定性和相容性与基体材料的适应性。
此外，科学家还通过合成改性高分子材料来提高其热稳定性。
通过引入稳定性较高的基团或调整分子结构，可以增强材料的热稳定性。
除了热稳定性外，退火行为也是高分子材料中的一个重要问题。
高分子材料通常在制备过程中需要经历退火步骤，以提高材料的物理性能。
然而，退火可以导致高分子材料发生结构重排或结晶行为，从而影响其性能。
退火行为主要包括固态退火和溶液退火。
固态退火是将高分子材料在一定温度下保持一段时间，使其分子在局部重新排列，从而改善材料的物理性质。
溶液退火是将高分子材料溶解在溶剂中，然后通过控制溶剂中高分子的浓度和温度，达到分子链的松弛和固定的目的。
值得一提的是，退火过程也会带来一些问题。
一方面，退火过程会使高分子材料发生晶化，导致材料的透明度下降。
晶体结构的出现会导致光的散射，从而影响高分子材料的光学性能。
另一方面，退火过程也会导致高分子材料的形状发生改变，从而影响其在工业应用中的应用效果。
因此，退火工艺需要谨慎控制，以保证材料的性能和形状。
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梯度功能材料的原理及特点
梯度功能材料由几种性质不同的材料组成， 但与复合材料之间有明显区别。
梯度功能材料与复合材料比较
材料 复合材料 材料优点的相互 复合 化学键/物理键 界面处非均质 梯度材料
设计思想
结合方式
特殊功能为目标
分子间力/化学键/物 理键 均质/非均质
微观组织 宏观组织
功能
均质/突变
一致
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
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。
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
什么是热稳定性？
热稳定性（抗热震性）：
材料承受温度变化而不致破坏的能力。 抗热冲击损坏
抗热冲击断裂性 抵抗瞬时断裂（急冷急热）
主要针对脆性和低延性材料
抗热冲击损伤性
抵抗循环作用的热冲击 热疲劳
主要针对高低延性材料
什么是热稳定性？
不同应用条件下，因工况环境的不同， 对材料的要求也不同。
日用陶瓷：能承受的温度差为200 K左右的热冲击。 火箭喷嘴：瞬时可承受3000 ~ 4000 K温差的热冲击。
无机材料或其它脆性材料的热稳定性比 较差。
1. 热稳定性的表示方法
对试样或制品的热稳定性评定，通常还是采用比较 直观的方法。
日用瓷： 加热
急冷
提高温度加热
急冷
逐渐提高加热温度重复操作，直至龟裂。
龟裂前一次温度
普通耐火材料： 加热到一定温度保温
操作次数
急冷
重复操作直到试件失重20 %。
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
2. 热应力及第一热应力断裂抵抗因子
第四节 材料的热稳定性
顾修全
本章内容
热容 热膨胀 热传导 热稳定性
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
火箭燃烧室
空天飞机
船舶方面
在舰船甲板上可采用含热障的、抗摩擦或抗冲击的梯度功能 材料涂层，或设计连续增强纤维排列的逐级梯度，显著提高 它们的缺口阻力，抑制微观裂纹扩张，大幅改善甲板的抗高 应变速率变形和冲击性能，对舰船的防护及搭载飞行器具有 重要意义。
航空母舰甲板
汽车方面
为对柴油机或汽油机活塞头进行热保护，需在钢基底上喷 涂厚度大于2 mm的ZrO2涂层。如果直接在金属上覆盖陶瓷， 在构件投入使用前就会导致界面脱层。 通过覆盖一些陶瓷含量不断增加的金属-陶瓷复合梯度涂层， 可保证涂层力学完整性，保护活塞。
对含有微孔的材料和非均质的金属陶瓷有效。
可能积存的弹性应变能 热稳定性
裂纹蔓延时所需的断裂表面能
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
4. 提高抗热冲击断裂性能的措施
提高材料强度σ，减小弹性模量E，使比值提高 提高材料的热导率λ，使 R' 提高 减小材料的热膨胀系数α 减小表面热传递系数 h 减小产品的有效厚度 rm
热应力：由于材料热膨胀或收缩引起的内应力。
E
l E T T0 l
热应力可导致材料的断裂破坏或发生不希望的塑性变形。 加热过程
热胀冷缩 材料中的温度梯度 多相复合材料中各相膨胀系数的差异
压应力
张应力
负值
正值
冷却过程
例如，对平面陶瓷薄板
薄板突然冷却时，瓷体外表面温度低，中间 温度高。则热应力：
x 方向上
z 方向上 y 方向上
x
z 0
在材料断裂的瞬间，σx =σz =σmax，若它恰好达到 材料强度，则会出现开裂破坏，则不使材料受热冲击断裂 的最大温差： μ为泊松比 σf 极限抗拉强度
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
以强度—应力
为判据
第三热应力抵抗因子
R&# 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
3. 抗热冲击损伤性
材料中裂纹的产生、扩散以及蔓延的程度与材料积存 的弹性应变能和裂纹扩展的断裂应变能有关。
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)， 具有缓和热应力的功能。
金属和陶瓷构成的材料特性 （a）无梯度
（b）有梯度
航天方面
90年代初，日本开发了小动力火箭燃烧器和热遮蔽材料用的梯 度功能材料，目前已研制出能耐 1700℃的 ZrO2/Ni 梯度功能材 料，用作马赫数大于20的并可重复使用的航天飞机机身材料。 空天飞机高速飞行时机身和机翼的温度也高达上千 K，只能采 用热防护梯度材料解决热应力问题。 梯度功能材料也可用于普通飞机的喷气燃烧器。
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。
最近，通过改变复合两相的配制，在复合材料内部形成精
细的构造梯度。
梯度功能材料已经发展成为当前结构材料和功能材料研究
领域中的重要主题之一。
摩擦升温后，梯度材料变化较小 普通材料则变成兰紫色
非均质（连续变化）
梯度化
梯度功能材料主要特征有：
材料的组分和结构呈连续性梯度变化； 材料内部没有明显的界面； 材料的性质也呈连续性梯度变化。
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。