第13章超高温材料超高温材料汇总讲解
超高温陶瓷标准
超高温陶瓷标准
超高温陶瓷（Ultra-High Temperature Ceramics，简称UHTCs）是一类具有出色耐高温性能的陶瓷材料。
通常，超高温陶瓷的使用温
度范围可以达到2000℃以上。
超高温陶瓷具有以下特点和性能：
1. 高温稳定性：超高温陶瓷在极高温度下具有良好的热稳定性
和化学稳定性，不易熔化、氧化或发生化学反应。
2. 强度和硬度：超高温陶瓷通常具有极高的强度和硬度，能够
耐受高温下的机械应力和磨损。
3. 低热膨胀：超高温陶瓷的热膨胀系数较低，使其能够在高温
环境下保持结构的稳定性。
4. 导热性：超高温陶瓷通常是优良的导热体，能够有效地将热
量传导到外部环境。
超高温陶瓷尚未有统一的国际标准，但各个国家和国际组织都有
自己的测试和评估标准。
例如，美国国家航空航天局（NASA）制定了
一系列用于评估超高温陶瓷性能的测试标准，包括高温抗氧化性能测试、热膨胀系数测定等。
此外，欧洲陶瓷学会（European Ceramic Society）也提供了一些测试方法和标准来评估超高温陶瓷的性能。
虽然还没有统一的标准，但超高温陶瓷的性能评估一般包括以下
方面：高温稳定性、热膨胀系数、机械性能、导热性、抗氧化性能等。
通过评估这些性能指标，可以确定超高温陶瓷在特定高温应用中的适
用性和可靠性。
高温超高温如何区分
高温超高温如何区分高温和超高温是两个常见的热学概念，在工业生产、材料研究和科学实验中扮演着重要的角色。
区分高温和超高温是为了更好地理解和控制热力学过程，确保材料和设备在适当的温度工作范围内。
首先，我们需要了解高温是指多大的温度范围。
高温通常指的是在300℃至1000℃之间的温度范围。
在这个温度范围内，许多常见的金属和合金都能够承受并保持稳定的性能。
高温下，材料的强度和刚度会下降，而热膨胀和热导率则会增加。
那么，什么是超高温呢？超高温通常是指1000℃以上的温度范围。
在这个温度范围内，大多数常见金属和合金都无法保持稳定的性能。
在超高温下，材料往往会经历严重的热腐蚀、软化和脆化等问题。
因此，对于超高温环境，需要采用特殊的高温材料，如陶瓷、碳纤维复合材料和耐热合金。
区分高温和超高温的关键在于材料的稳定性和性能。
高温下，大多数金属和合金都能够保持相对稳定的性能，而超高温下则需要采用特殊的高温材料。
此外，高温和超高温还可以通过相关的热物理性质进行区分。
热导率是一个重要的热物理性质，它可以用来区分高温和超高温。
热导率是材料导热能力的指标，通常用热导率系数来表示。
在高温下，材料的热导率会随温度的升高而增加，这是由于热运动的增加导致更快的能量传递。
而在超高温下，由于材料的结构和性质发生了变化，热导率会发生剧烈的变化。
因此，通过测量材料的热导率，可以判断其所处的温度范围。
此外，热膨胀系数也是区分高温和超高温的重要指标之一。
热膨胀系数反映了材料在温度变化下的体积变化程度。
在高温下，材料的热膨胀系数往往较小，这是因为高温下原子运动加剧，材料更容易膨胀。
而在超高温下，由于材料的结构和性质发生了变化，热膨胀系数会发生显著的变化。
因此，通过测量材料的热膨胀系数，也可以判断其所处的温度范围。
除了热导率和热膨胀系数，还有其他一些热物理性质可以用于区分高温和超高温。
例如，材料的比热容、热稳定性和热疲劳性等都影响着其在不同温度范围下的稳定性和性能。
超高温材料Si(B)CN
超高温陶瓷材料Si(B)CN高性能陶瓷是新材料的一个组成部分, 它在国民经济中的能源、电子、航空航天、机械、汽车、冶金、石油化工和生物等各方面都有广阔的应用前景, 成为各工业技术特别是尖端技术中不可缺少的关键材料, 在国防现代化建设中, 武器装备的发展也离不开特种陶瓷材料。
随着我国国民经济的高速发展, 工业技术水平的不断提高, 人民生活的不断改善以及国防现代化的需要, 迫切地需要大量的特种陶瓷产品, 市场前景十分广阔。
石油化工行业需要大量的耐磨耐腐蚀的陶瓷部件, 如球阀、缸套等。
纺织行业需要大量的耐磨陶瓷件, 如陶瓷剪刀、导丝轮等。
国防工业需要的具有特殊性能的陶瓷材料, 如防弹装甲陶瓷, 耐射照高温轻质隔热材料等。
在此我们一起了解一下高温陶瓷材料，一般高温陶瓷材料的预期使用温度在1400 ~1500, 而超高温材料是指能在1800以上使用的材料, 主要包括过渡金属( T i、Zr、T a 等) 的硼化物、碳化物以及近年出现的Si( B) CN超高温陶瓷材料等, 还包括碳( 石墨) 和氮化硼等。
这类材料的主要特点是超高温熔点、超高温稳定、超高温耐腐蚀性, 应用于国防、航天、超高温电极、超高温耐腐蚀容器或保护器( 与熔融金属接触) , 超高温涂层等。
近年来, 对Si( B) CN超高温陶瓷材料的研究发展很快, 制备工艺主要是采用有机前驱体法, 对超高温稳定化机理的研究主要集中在硼的作用上。
SiC、Si3N4这一类硅基陶瓷材料具有较高的抗氧化性、高温强度、化学稳定性、抗蠕变等性能, 作为高温结构陶瓷材料倍受人们的青睐。
但Si3N4在1400℃发生热分解SiC在1600℃氧化时性能也发生退化。
因此研究新型高温材料以及对材料进行改性成为迫切需求。
研究人员在这方面做了许多有益的工作, 取得了一些成就, 如: 性能良好的SiC 及Si3N4纤维的研究和开发, 使纤维增强复合材料的性能不断改善。
纳米SiC/Si3N4复合材料的室温强度和韧性比单组分材料提高2～5 倍, 且高温性能也获得较大的改进。
超高温材料力学
这本书的理论部分做得非常出色。作者深入浅出地介绍了材料力学的基本原理， 以及这些原理在超高温环境下的变化和扩展。对于非唯象理论表征模型的缺乏， 作者也进行了深入的探讨，提出了一些可能的解决方案。这让我对材料力学的 理解更加深入，也让我对超高温环境下材料性能的变化有了更加清晰的认识。
实验部分是这本书的另一大亮点。作者详细介绍了他们在超高温环境下对材料 进行的各种实验，包括材料的制备、力学测试、数值分析等。这些实验结果不 仅验证了作者的理论预测，也为材料的实际应用提供了宝贵的依据。
以上只是《超高温材料力学》这本书的部分精彩摘录。这本书的深度和广度都 使得它成为材料科学和工程领域的宝贵资源。无论是科研人员、工程师还是技 术人员，都能从这本书中获得新的视角和思路，从而推动材料科学和工程的发 展。
阅读感受
在我阅读《超高温材料力学》这本书的过程中，我深深地被作者对于材料超高 温力学性能的深入理解和精湛的分析所吸引。这本书不仅为我揭示了材料在超 高温环境下的诸多特性，更让我领略到了科研工作的严谨、细致与勇气。
超高温材料力学
读书笔记
01 思维导图
03 精彩摘录 05 目录分析
目录
02 内容摘要 04 阅读感受 06 作者简介
思维导图
本书关键字分析思维导图
失效
力学
高温
韧性
实验
强度
疲劳
超高温
材料
环境 重要
特性
材料力学
影响
材料力学
介绍
内容摘要
《超高温材料力学》是一本关于高温环境下材料力学行为的著作，其内容涵盖了高温材料的基本 特性、高温力学实验技术、高温材料的强度与韧性、高温蠕变与疲劳、高温材料失效分析等方面 的知识。 本书介绍了高温材料的基本特性，包括材料的热膨胀、热传导、热力学特性等。这些特性在高温 环境下对材料的力学行为有着重要的影响，对于理解高温环境下材料的性能具有重要意义。 本书详细介绍了高温力学实验技术，包括高温拉伸、高温压缩、高温弯曲等实验方法。这些实验 方法可以用来测定高温环境下材料的力学性能，为设计和应用高温材料提供了重要的依据。 接着，本书对高温材料的强度与韧性进行了深入的探讨。在高温环境下，材料的强度和韧性会受 到明显的影响。本书详细讨论了影响高温材料强度和韧性的因素，以及如何通过改变材料的成分 和结构来提高高温材料的强度和韧性。
第13章超高温材料超高温材料汇总
Cu材料中通过 Cu挥发带走热量 ，降低 W表面温度，Cu 起着发汗剂的作用 ，把钨的
抗烧蚀性能提高到一个新的水平。钨渗铜可在总温高达3590℃的两相流中长期工 作，不过，其机械强度会随着温度的升高而逐步下降。
Mo 的硅化物 MoSi2 是常见的高温结构材料，具有优异抗氧化性能，使用温度可达
1700℃。 MoSi2 涂层用作短时的导弹尾喷管、卫星火箭推进器以及进气口温度超 过 1400℃的发动机叶片用的 Mo 、 Nb 合金以及Nb-W-Ta 合金的耐热涂层。 Mo还可和 Si 、 B 形成三元化合物，具有极高的高温强度。 Mo-8.5Si-13.2B 在 1500℃时屈服 强度仍在1GPa以上，与其它高温结构使用的难熔金属基或陶瓷基材料相比，性能 优异，被认为是很有前途的材料。
和卫星最低轨道高度之间。这一区域是飞机上不去、卫星下不来的未开
发和待利用空间。高超声速巡航飞行器和巡航弹、通用航空飞行器属于 高马赫数近空间飞行器。近空间超高速飞行器需要在有氧和高温环境下
飞行数千秒，长时间的气动加热使得头部和翼缘部分的表面温度超过
2000℃，同时为保持高的升阻比和良好的气动外形，这些部位外表面不 允许产生明显烧蚀。因此，新一代航天飞机、超音速飞行器以及近空间 超高声速飞行器对热防护材料提出了更高的超耐热性、耐久性和长寿命 的要求。
超高温材料
超高温材料是指能在1800℃～2000℃以上温度使用的单一或材料组合，
包括难熔金属、陶瓷基复合材料和经过改性的C/C复合材料。
超高温材料具有高温强度、高温抗氧化性和高温抗烧蚀性能，能够适 应超高音速长时飞行、大气层再入、跨大气层飞行和火箭推进系统等极 端环境，可用于飞行器鼻锥、机翼前缘、火箭喷管、燃烧室、发动机热 端等各种关键部位或部件。
超高温热力学材料在航空航天领域中的应用
超高温热力学材料在航空航天领域中的应用一、简介超高温热力学材料是指在高温和高压环境下能够保持稳定性、延展性和强度的材料。
这些材料是航空航天领域中不可缺少的重要组成部分，其中许多材料已经证实可以在特定条件下承受高达3000°C的高温。
超高温热力学材料可以由各种材料制成，如陶瓷、纳米材料和金属复合材料等。
这篇文章将探讨超高温热力学材料的种类以及在航空航天领域中的应用。
二、超高温热力学材料的种类1.陶瓷材料陶瓷材料是一种由非金属材料制成的材料，具有高硬度、高抗磨损性和高温稳定性等特性。
陶瓷材料可分为无机非金属陶瓷和有机非金属陶瓷两种类型。
无机非金属陶瓷采用高温烧结技术，可以在高到2000°C甚至3000°C的温度下维持其稳定性。
在航空航天领域中，陶瓷材料通常用于制造发动机部件，如燃烧室。
它们具有优异的高温性能和抗腐蚀性能，尤其是具有良好的氧化抗性，可以承受高温下的氧化作用。
此外，陶瓷材料还可以制造复合材料，以及在太空环境中承受辐射的防护层。
2.金属复合材料金属复合材料是由两种或多种不同金属或金属和非金属的材料组合而成，具有高强度、高变形率和高裂纹韧性等特质。
金属复合材料通常采用粉末冶金或表面涂层技术生产，可以在高温环境下维持良好的稳定性。
在航空航天领域中，金属复合材料通常用于制造发动机叶片、导向叶片和喷管等部件。
它们具有高强度和高温稳定性，并且可以有效减轻飞机结构的整体重量。
此外，金属复合材料还可以制造高效热交换器和散热器，以有效控制航空器的温度。
3.纳米材料纳米材料是一种由非金属材料制成的材料，在尺寸方面小于100纳米，具有特殊的物理和化学特性。
纳米材料通常采用溶胶凝胶、磁控溅射和铸造等方法生产，可以在高温度下保持其稳定性。
在航空航天领域中，纳米材料通常用于制造轻质结构材料和复合材料。
例如，与其他高温复合材料相比，铝基纳米复合材料可以承受更高的温度和压力，同时具有较低的密度。
第13章 耐热、耐火和耐起痕
CLTC
试验准备 整件部件或部分拆下、割下部件，试验状况 与正常使用时无显著差异。 选择三件样品，应擦拭干净，与白松板、薄 纸一起在温度15℃～35℃，相对湿度 45%～75%室内放置24h。 采取防护措施，如防炸、防毒气等。 试验在三个试验样品上进行，若在同一个样 品上试验多个点时，必需确保前一次的试验 造成的劣化不会影响它后面各次试验结果。
国家灯具质量监督检验中心 021-36033443
13.3耐燃烧、防明火(续9)
灼热丝试验
CLTC
试验设备 灼热丝组件由铠装热电偶的镍铬丝环组成， 形状尺寸见图13.4。采用K型细丝热电偶， 外径为Ф0.5mm，能长期工作在1100℃， 用于测量灼热丝温度。通大电流后灼热，施 加到样品上的力为1N±0.2N。 在试验样品位置下方200mm±5mm处，铺 设10mm厚平滑白松板，裹上一层ISO4046 的6.86规定的薄纸（类似餐巾纸）。 GB5169.10《电工电子产品着火危险试验 试验方法 灼热丝试验方法--总则》标准详细 规定了试验设备的要求。
国家灯具质量监督检验中心 021-36033443
13.3耐燃烧、防明火(续6)
针焰试验
CLTC
结果评价 试验合格： 样品和薄纸未被引燃； 试验火焰脱离试样后，试样自燃时间小于30s，薄 纸未被引燃； 试验火焰脱离试样后，试样自燃时间小于30s，有 挡住落下燃烧物的有效措施。 试验不合格： 薄纸被引燃； 试验火焰脱离试样后，试样自燃时间大于30s； 试样在30s内完全被烧完，而且，燃烧过程中火焰 也没有减弱趋势。
国家灯具质量监督检验中心 021-36033443
13.2耐热(续3)
CLTC
试验准备 从灯具中取下试样，尽可能选择平整的试样， 厚度大于2.5mm，达不到可用几块相同材 料片叠加起来，以确保Ф5mm钢球的压痕 能充分体现。 检查球压试验装置的钢球表面，不能粘附碎 屑等杂物，用干布擦净钢球。 试验温度的确定 在进行本标准第12章温度试验（正常工作） 时，注意寻找绝缘材料部件的最高工作温度。 试验在加热箱内进行，箱内的温度比部件最 高工作温度高25℃±5℃，试验时间1h。
超高温陶瓷材料的研究与应用
超高温陶瓷材料的研究与应用近年来，随着人类科学技术的不断发展，超高温陶瓷材料的研究与应用已经越来越受到重视。
超高温陶瓷材料具有很高的耐高温、耐磨损、耐腐蚀性能，以及较好的机械性能等优点，因此在航空航天、国防军工、能源环保等领域具有广泛的应用前景。
一、超高温陶瓷材料的特性超高温陶瓷材料主要是指抗氧化化学和机械性能优异的陶瓷材料，其最高使用温度可达2000℃以上，比其他传统材料如钢、合金等更具有优越的性质。
其主要特性有：1、优异的耐高温性能：超高温陶瓷材料的熔点通常高于2000℃，可以承受几乎所有实验室制备条件下的高温。
2、高硬度、高韧性：它们具有非常高的硬度和韧性，可以耐受极高的压力和重负荷的应力。
3、良好的耐磨损性：超高温陶瓷材料具有非常高的耐磨性，适用于高速、高温和高压环境。
4、强化的耐腐蚀性能：这些材料具有抗腐蚀、抗氧化的特性，可以耐受许多强腐蚀性环境的侵袭。
二、超高温陶瓷材料的结构和分类超高温陶瓷材料的晶体结构通常是二氧化硅(SiO2)的变体，其晶格结构决定了它们的物理和机械性质。
超高温陶瓷材料可根据其组成和结构分为氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷、氧化锆陶瓷等。
其中，氮化硅陶瓷和碳化硅陶瓷是比较典型的两种超高温陶瓷材料。
氮化硅陶瓷是由氮化硅(Si3N4)、氧化铝(Al2O3)等复合材料组成的。
它具有较高的强度、硬度、高温强度和热震稳定性。
并且，氮化硅陶瓷还具有热导率高、抗腐蚀性能强等特点。
碳化硅陶瓷是由碳化硅(SiC)和氧化铝(Al2O3)等复合材料组成的。
它具有较高的硬度、抗磨损性、耐高温性、抗氧化性、热震稳定性和良好的机械性能等特点。
并且，碳化硅陶瓷还具有较好的热导率、化学稳定性和抗辐射性。
三、超高温陶瓷材料的应用前景超高温陶瓷材料具有优异的特性和多种优良性能的综合应用，因此在航空航天、国防军工、能源环保等领域中存在广泛的应用前景。
1、航空航天领域：超高温陶瓷材料可以应用于机身壁板、发动机燃烧室、导弹底部热结构件等领域，以提高飞行器的使用温度和耐力。
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超高温环境与材料 典型超高温材料 热防护材料
超高温环境
超高温一般是指1800℃～2000℃以上的温度。尖端 工业中的超高温环境主要包括航天飞机、超声速飞 行器的迎风尖锐表面飞行时的高速高温环境以及火 箭发动机的燃烧室、喷管、涡轮发动机的内在工作 环境。
超高温环境 1
新一代航天飞机兼有航天往返和特超音速航空两用，也称作空天飞机， 采用空气吸入式发动机，从一般跑道上起飞和着陆。为了达到空天飞机 的规定速度，飞机必须在大气层中长时间连续以超音速飞行。当马赫数 为8，飞至27000米高空时，飞机头部和机翼前沿的表面温度可达1800℃。 为了保证在大气中重复使用，超声速飞行器的尖锐迎风表面，例如发动 机罩的进气室、机翼的引擎和鼻锥，要求能耐2000~2400℃的超高温。
超高温材料主要是应用于火箭喷管、燃烧、尖锐前缘等表面，起到 隔热防护作用，主要考虑其抗烧蚀性能，而抗烧蚀性能与其熔点有直接 关系。
高温材料尤其是高温合金主要是面向航空航天涡轮发动机，主要是考 虑其高温力学性能及抗氧化性能。
13.2 典型超高温材料
难熔金属及其合金 超高温陶瓷基复合材料 改性的C/C复合材料
铌及其合金
铌(Nb)本身熔点较低（2415℃），抗氧化性能有限，通常以合金或化合物的形式 应用于超高温环境。 含B或N的过饱和Nb基难熔合金，在温度达到2200℃时仍保持良好的性能。 已用于小型液体火箭发动机，还用做火箭姿态调节器喷管。 铌-硅基合金(Nb-Si)具有较高的高温强度，在室温下具有一定的韧性，并且其熔 点高、密度小。 采用高熔点金属间化合物Nb3Si或Nb5Si3加入Nb合金中。 带有硅化物涂层的铌合金材料通常用于火箭燃烧室。
超高温材料的分类
从用途方面划分，超高温材料主要包括超高温结构材料及超高温防护材 料两大类。 超高温结构材料除了要求材料的高温抗烧蚀、抗氧化性能外，还要求材 料具有良好的高温力学等综合性能；超高温防护材料对高温抗氧化性能、 高温力学性能等有要求之外，还要求具有良好的隔热性能等。
超高温材料与高温材料的区别
超高温环境 3
固体火箭的工作环境十分恶劣、加力燃烧室喷管、喉衬、涡轮叶片、导 向叶片、燃气轮机等部件都与高温材料有着密切的关系。随着固体火箭 效率的提高，对发动机喷管、喉衬和其它热端部件等所使用的高温材料 提出了更迫切的要求。火箭喷管是燃料燃烧产生的热能在排气口喷嘴转 变成具有强大推动力的动能所必须的关键部件。喷管材料必须经受住： ①2000℃～3500℃的高温；②灼热表面的超高速加热的热冲击；③高热 梯度引起的热应力；④高压力；⑤连续数分钟暴露在高速腐蚀性气体中 等苛刻的工作条件。
钼及其合金
与钨和铼相比，钼(Mo)的熔点相对略低，但其成本和密度都有所降低。 钼一般以合金、化合物或者复合材料的形式应用于超高温环境。 钼能与铌(Nb)和钨(W)形成三相固溶体，在1700℃时的屈服强度和蠕变强度可望 达到400MPa和22MPa。 Mo的硅化物MoSi2是常见的高温结构材料，具有优异抗氧化性能，使用温度可达 1700℃。MoSi2涂层用作短时的导弹尾喷管、卫星火箭推进器以及进气口温度超 过1400℃的发动机叶片用的Mo、Nb合金以及Nb-W-Ta合金的耐热涂层。Mo还可和 Si、B形成三元化合物，具有极高的高温强度。Mo-8.5Si-13.2B在1500℃时屈服 强度仍在1GPa以上，与其它高温结构使用的难熔金属基或陶瓷基材料相比，性能 优异，被认为是很有前途的材料。
超高温环境 4
从航空发动机技术发展现状和趋势看，世界航空发动机技术正呈现出一 种加速发展的态势，推重比为15-20级更先进的发动机研究计划正在进行， 预计将于2020年左右研制成功，并将与第五代战斗机配套使用。随着飞 机的航程和飞机速度的提高，对飞机的推力、推重比的要求也越来越大， 而导致了发动机的压力比、进口温度、燃烧室温度以及转速也都大大提 高。推重比为10的一级加力式涡轮发动机的最大进口温度可达1580℃以 上，先进航空发动机的涡轮进口温度已超过1650℃，未来推重比15以上 的航空发动机的进口温度将超过1977℃。目前，就航空发动机的材料而 言，金属材料的使用温度已接近其极限，需要探索超高温材料。
13.2.1 难熔金属及其合金
难熔金属的熔点与密度
钨及其合金
钨的熔点最高（3400℃）。 具有较好的抗氧化性和良好的抗热震性以及很好的抗烧损和抗冲刷能力。 常用作发动机喉衬，北极星A21、A22和民兵Ⅰ～Ⅲ型等导弹的燃气舵。 但其高密度(19.3g/cm3)不利于其在航空航天领域的广泛应用。 为了减轻纯钨结构材料的重量，可在钨中添加碳化物颗粒(如ZrC和TiC颗粒)，并 能显著提高其力学性能和抗烧蚀性能。 为了进一步提高钨用作发动机喉衬的材料性能，在钨制件中渗入Cu，高温下W渗 Cu材料中通过Cu挥发带走热量，降低W表面温度，Cu起着发汗剂的作用，把钨的 抗烧蚀性能提高到一个新的水平。钨渗铜可在总温高达3590℃的两相流中长期工 作，不过，其机械强度会随着温度的升高而逐步下降。
超高温环境 2
近空间，一般指距地面20-100千米的空域，处于现有飞机最高飞行高度 和卫星最低轨道高度之间。这一区域是飞机上不去、卫星下不来的未开 发和待利用空间。高超声速巡航飞行器和巡航弹、通用航空飞行器属于 高马赫数近空间飞行器。近空间超高速飞行器需要在有氧和高温环境下 飞行数千秒，长时间的气动加热使得头部和翼缘部分的表面温度超过 2000℃，同时为保持高的升阻比和良好的气动外形，这些部位外表面不 允许产生明显烧蚀。因此，新一代航天飞机、超音速飞行器以及近空间 超高声速飞行器对热防护材料提出了更高的超耐热性、耐久性和长寿命 的要求。
超高温材料
超高温材料是指能在1800℃～2000℃以上温度使用的单一或材料组合， 包括难熔金属、陶瓷基复合材料和经过改性的C/C复合材料。
超高温材料具有高温强度、高温抗氧化性和高温抗烧蚀性能，能够适 应超高音速长时飞行、大气层再入、跨大气层飞行和火箭推进系统等极 端环境，可用于飞行器鼻锥、机翼前缘、火箭喷管、燃烧室、发动机热 端等各种关键部位或部件。