阅读材料：高温结构材料简介
高温结构材料
高温结构材料作者：10063122翁丰壕10063121温可明关键词：高温合金金属间化合物摘要：在材料中，有一类叫结构材料，主要利用其强度、硬度韧性等机械性能制成的各种材料。
金属作为结构材料，一直被广泛使用。
但是，由于金属易受腐蚀，在高温时不耐氧化，不适合在高温时使用。
高温结构材料的出现，弥补了金属材料的弱点。
这类材料具有能经受高温、不怕氧化、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点，作为高温结构材料，非常适合。
下面我们来了解高温结构材料的几种主要类型，制造工艺，应用现状及发展趋势，以便为我们的研究指明方向。
引言：随着工业文明的发展，全球一体化的深入，对深空世界的探索，人类对各种材料的要求也越来越高，特别是航空航天领域，对材料的耐高温性能有着近乎苛刻的要求。
我们明白，只有提高材料的各项性能，才能让我们的飞行器更快，更强，所以对高温结构材料的研究，一直是我们注重的方向。
一、高温结构材料主要类型：高温合金：指在650°C以上温度下具有一定力学性能和抗氧化、耐腐蚀性能的合金。
目前常是镍基、铁基、钴基高温合金的统称。
金属间化合物：金属与金属或与类金属元素之间形成的化合物。
难熔金属合金：有将熔点高于锆熔一般指熔点高于1650℃并有一定储量的金属（钨、钽、钼、铌、铪、铬、钒、锆和钛），也点（1852℃）的金属称为难熔金属。
以这些金属为基体，添加其他元素形成的合金称为难熔金属合金。
等等二、高温结构材料的应用现状： 1.镍基高温合金在整个高温合金领域占有特殊重要的地位，它广泛地用来制造航空喷气发动机、各种工业燃气轮机最热端部件。
若以150MPA-100H持久强度为标准，而目前镍合金所能承受的最高温度〉1100℃，而镍合金约为950℃，铁基的合金〈850℃,即镍基合金相应地高出150℃至250℃左右。
所以人们称镍合金为发动机的心脏。
目前，在先进的发动机上，镍合金已占总重量的一半，不仅涡轮叶片及燃烧室，而且涡轮盘甚至后几级压气机叶片也开始使用镍合金。
高温结构材料的优点
高温结构材料的优点高温结构材料是一类能够在高温环境中保持其力学性能和结构稳定性的材料。
随着科学技术的发展和工业的进步，高温结构材料在各个领域中扮演了重要的角色。
下面将探讨高温结构材料的优点。
首先，高温结构材料具有良好的耐热性能。
在高温环境下，普通材料容易发生融化、变形或熔化，导致结构失效。
而高温结构材料具有更高的熔点和较低的线性热膨胀系数，能够在高温下保持良好的力学性能。
例如，钨、钼等金属材料具有极高的熔点，可以用于制造高温炉等设备。
陶瓷材料也常被用于制造高温工具，如陶瓷热电阻。
其次，高温结构材料具有较低的热导率。
在高温环境中，热导率较高的材料可能导致热传导不均，从而引发热应力和热裂纹的产生。
而高温结构材料通常具有较低的热导率，能够有效减缓热传导速度，避免热应力的积累。
例如，氧化铝、氮化硅等陶瓷材料具有较低的热导率，广泛用于高温的绝缘材料和隔热材料。
再次，高温结构材料具有优良的抗氧化性能。
在高温环境中，材料容易发生氧化反应，导致降解和破坏。
高温结构材料能够在高温下稳定地存在，并具有抵抗氧化的能力。
例如，钛合金在高温下能够形成致密的氧化膜，提供了良好的抗氧化保护。
此外，高温结构材料具有较低的蠕变速率。
在高温环境下，材料容易发生蠕变现象，即在受力作用下的长时间变形。
高温结构材料通常具有较低的蠕变速率，能够保持较长时间的结构稳定性。
例如，镍基合金和钨合金等金属材料在高温下具有较低的蠕变速率，被广泛应用于航空、航天等领域。
最后，高温结构材料具有较高的疲劳强度。
在高温环境中，材料的疲劳强度可能会下降，容易发生疲劳破坏。
高温结构材料经过特殊处理或添加合金元素后，能够提高其疲劳强度，延缓疲劳破坏的发生。
例如，镍基合金和钛合金等金属材料具有较高的疲劳强度，被广泛应用于航空发动机等高温高压的工作环境。
综上所述，高温结构材料具有耐热性能、低热导率、抗氧化性能、低蠕变速率和高疲劳强度等优点。
这些优点使得高温结构材料在航空航天、能源、化工、冶金等领域中得到广泛应用。
先进高温结构材料与技术
先进高温结构材料与技术随着科技的不断发展，各种高温行业的发展也变得越来越重要。
例如航空航天、能源领域、化工等，这些行业对于高温结构材料和技术的需求也随之而增加。
先进高温结构材料和技术的应用，成为了行业升级和企业竞争的重要策略。
一、高温结构材料的种类及功能高温结构材料主要包括金属、陶瓷、复合及其它新兴材料。
在高温环境下，这些材料有不同的特点和性能，例如高强度、高温抗氧化、高温稳定等，可以应对各种不同的高温环境并满足多样化的应用需求。
二、现有高温结构材料的局限性虽然现有的高温结构材料在一定程度上已经满足了行业需求，但是也有一定的局限性。
例如，金属材料易熔化、内氧化等问题，陶瓷材料脆性大、成型难等问题，这些都影响了应用效果和经济效益。
三、先进高温结构材料的研发和应用随着技术的不断进步，出现了一些新型高温结构材料，例如金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳材料等，这些材料具有更好的高温抗氧化性能、机械强度和热稳定性等特点。
此外，为了提高材料的经济效益，一些新型高温结构材料还可以通过先进制造技术进行节能和环保。
四、先进高温结构材料的市场前景先进高温结构材料的市场前景十分广阔。
随着全球经济的持续发展和科技的进步，高温行业的发展需求会不断增加。
因此，先进高温结构材料和技术的开发和应用，将会在未来成为一个重要的市场。
总之，先进高温结构材料和技术在航空航天、电力、化工等众多领域中都有广泛的应用。
因此，在加强研究和开发先进高温结构材料和技术的同时，还需要保证其质量和安全性，以满足广大行业的需求。
高温结构陶瓷的主要成分
高温结构陶瓷的主要成分1 高温结构陶瓷简介高温结构陶瓷是指把耐热性、耐腐蚀性和耐磨性优异的金属氧化物材料和其它非金属的化合物混合在一起，并经过加工烧结而制成的新型复合材料。
它具有良好的热稳定性、耐化学腐蚀性和耐磨损性，具有极端重负荷的使用环境，又因其高度的刚性和强度，是航天火箭、飞机和国家重要机械设备和高温加工设备中绝热耐热材料的投入。
2 高温结构陶瓷的主要成分高温结构陶瓷由金属氧化物、非金属氧化物、碳、无定形硅和添加剂等成分组成。
（1）金属氧化物：金属氧化物是高温结构陶瓷中组成量最大的成分之一，可以起到增强体系的抗热稳定性的作用。
由于不同的金属元素具有不同的热稳定性，所以在高温结构陶瓷上，可以选择不同的金属元素混合，以取得更好的工艺性能。
（2）非金属氧化物：非金属氧化物是组成高温结构陶瓷的重要部分，可以体现结构陶瓷的耐热稳定性、耐腐蚀性和耐磨损性等特性。
通常，此类氧化物主要包括：氧化铝、氧化硅、氧化铬、氧化锆等。
（3）碳：碳在高温结构陶瓷体系中可以起到强化的作用。
它的添加，不仅可以改善陶瓷的力学性能，还可以改变陶瓷的组织结构，提高陶瓷的抗热性能。
然而，过多的碳元素会大大降低陶瓷体系的热稳定性，而且还会影响设备的使用寿命。
（4）无定形硅：无定形硅在工艺中可以起到连接、粘结和保温功能，可以提高陶瓷体系物理、化学和机械性能。
（5）添加剂：除了前面提到的主要成分外，还需要添加一些其它的添加剂，以获得更好的热稳定性、耐腐蚀性和耐磨性等性能特征。
添加剂的种类有很多，包括：聚硼酸酯、添加剂等。
3 总结高温结构陶瓷是一种复杂的复合材料，形成了良好的表面浮雕效果，具有强大的抗腐蚀和抗热性能，是航天火箭、飞机和国家重要机械设备及高温加工设备中极具性价比的高温绝热材料。
其主要成分包括：金属氧化物、非金属氧化物、碳、无定形硅和添加剂等等。
它是高温工程应用中不可或缺的设备材料，为高温加工和航空航天工程的实现奠定了基础。
《高温金属结构材料》课件
奥氏体耐热钢
奥氏体耐热钢是一种高温强度和耐热性能较好 的金属材料，常用于高温环境下的零部件。
高温合金
高温合金是一种金属材料，具有较高的熔点和 良好的高温强度和耐腐蚀性。
高温金属结构材料的应用
1
航空航天工业
高温金属结构材料在航空航天领域中广
能源和动力工业
2
泛应用于航空发动机、航天器和导弹等。
高温金属结构材料在能源和动力工业中
发展前景
随着科学技术的发展，高温金属结构材料的应用领 域将不断拓展，有着广阔的发展前景。
参考文献
参考书目： 1. 杨文金. 高温金属材料[M]. 机械工业出版社, 2020. 2. 刘伟, 张建军. 高温材料及其应用[M]. 科学出版社, 2019.
参考文章： • 张宇. 高温钢格栅材料的应用研究[J]. 煤炭技术, 2021, 40(3): 12-15. • 王强, 李琳. 热处理工艺对高温合金性能的影响[J]. 金属热处理, 2020, 45(5): 8-11.
应用领域
高温金属结构材料广泛应用于航空航天工业、能源和动力工业、机械工业以及医疗领域等。
发展历程
高温金属结构材料经历了多年的研究和发展，不断提高其抗高温性能和机械性能。
热力学基础
1
什么是热力学
热力学是研究能量转化和能量传递规律
热力学定律
2
的科学，对高温金属结构材料的研究具 有重要意义。
热力学定律包括能量守恒定律、熵增定
抗高温蠕变性能
高温金属结构材料具有一定的抗蠕变能力，能 够在高温下承受持续的变形。
抗应力腐蚀开裂性能
高温金属结构材料能够在高温条件下抵抗应力 腐蚀开裂的发生，具有较好的耐久性。
高温金属结构材料的分类
高温结构材料
咼温材料探究作业一、设计方案陶瓷涂层硬质合金材料1.YG15为基体（WC85% Co15%氧化铝/碳化硅复相纳米陶瓷为涂层材料采用溶胶-凝胶方法或者大气等离子喷涂方法2.YG15为基体（WC85% Co15%含有稳定氧化钇的氧化锆陶瓷为涂层材料采用蒸敷法（PVD物理气相沉积）或者等离子喷涂方法二、设计思路及原理所需高温材料包括以下几个要求：1.工作温度大于等于1300摄氏度。
2.抗弯强度大于1500兆帕、抗压强度大于2000兆帕。
3.大于1300度时材料具有良好的抗氧化及抗腐蚀性能。
4.抗热震性、抗热疲劳性能好。
5.脆性低于硬质合金。
（一）设计思路分析常见耐高温金属的最高熔点接近1500度，但升温至1300度以上材料势必软化，故单纯采用常见耐高温金属不可取。
常见陶瓷材料或陶瓷金属材料具有很强的耐高温性抗氧化性抗腐蚀性，但陶瓷类材料的抗弯强度最高理论强度只有1500兆帕（Mo2NiB2 Y-PSZ），而大多数陶瓷材料抗弯强度只有500兆帕左右，抗压强度文献中都没有记载，故单纯采用陶瓷类材料不可取。
常见C/C复合材料高温性能、良好，但抗弯强度很低，大多只有200兆帕左右。
故不适合。
由此可见采用涂层复合材料的方法使陶瓷材料的高温性能和金属的抗弯压性能相结合。
通过查阅资料得知：陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高刚度及良好的化学稳定性，然而其陶瓷抗弯强 度低、韧性差在很大程度上影响了其应用。
为改善脆性通常以复合材料形式出现， 但传统陶瓷复合材料的韧性仍不够。
米用热喷涂技术在金属表面上制备陶瓷涂 层，将其优点与金属材料的优点结合起来获得各种功能涂层， 正在成为当代复合 材料领域的一个重要分支。
陶瓷涂层刀具拥有和硬质合金相近的强韧性的同时保 持陶瓷的耐磨耐高温等性能⑴。
文献中记载的陶瓷涂层材料很大一部分是作为刀具方面和航空耐高温材料 方面的应用，故我们主要从这两个方面着手探究。
根据目前可以查到的资料筛选出：1. 用热敷法（PVD 的一种）制备以镍基金属为基体表面复合含有稳定氧化钇的 氧化锆陶瓷的复合材料【2】。
《高温金属结构材料》课件
高温金属结构材料如钢铁和镍基合金，用于制造燃气轮机的重要部件，如燃烧室、涡轮等，以承受高温和高压的 工作环境。
核反应堆
高温金属结构材料也用于制造核反应堆的关键部件，如燃料棒、压力壳等，以确保核反应堆的安全运行。
汽车工业的应用
发动机部件
高温金属结构材料如铝和镁合金，用于制造汽车发动机的缸体、气缸盖等部件，以提高发动机的效率 和性能。
铸造
铸造是将熔炼得到的液态金属浇注到模具中，冷却后形成所需形状的工艺。铸 造过程中需要控制浇注温度、冷却速度等参数，以保证材料的致密性和机械性 能。
粉末冶金
粉末制备
粉末冶金的第一步是制备金属粉末，可 以通过机械破碎、化学反应等方法获得 。粉末的粒度和纯度对材料的性能有重 要影响。
VS
压制与烧结
将制备好的金属粉末放入模具中，施加压 力使其成型，然后进行烧结，使金属粉末 之间发生冶金结合，形成致密的金属材料 。
06
高温金属结构材料的应用案例
航空航天领域的应用
航空发动机叶片
高温金属结构材料如镍基合金和钛合 金，被广泛应用于制造航空发动机叶 片，以承受高温和高速旋转的严苛条 件。
飞机结构件
高温金属结构材料也用于制造飞机结 构件，如起落架、机身框架等，以确 保飞机在各种极端环境下的安全性和 稳定性。
能源领域的应用
总结词
镍基高温合金是以镍元素为基础，加入铬、钴等元素组成的 合金。
详细描述
镍基高温合金具有优良的高温强度、蠕变强度和抗疲劳性能 ，适用于在高温环境下长期服役的部件，如燃气轮机叶片、 航空发动机等。
钴基高温合金
总结词
钴基高温合金是以钴元素为基础，加入铬、镍等元素组成的合金。
详细描述
科普小论文神奇的高温结构材料
神奇的高温结构陶瓷我们都知道，金属作为结构材料，一直被广泛使用。
但是，由于金属易受腐蚀，在高温时不耐氧化，不适合在高温时使用，并因此对工程建设和工业生产产生了很大的制约作用。
但是一种叫做高温结构陶瓷的材料的出现，弥补了金属材料的诸多弱点。
高温结构陶瓷是指能够在高温条件下承受静态或动态的机械负荷的陶瓷。
它具有高熔点，较高的高温强度和较小的高温蠕变性能，以及较好的耐热震性、抗腐蚀、抗氧化和结构稳定性等。
这类材料具有能经受高温、不怕氧化、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点，作为高温结构材料，非常适合。
因此，在空间科学和军事技术的许多场合，它往往是唯一可用的材料。
从高速切削刀具、高温气体交换器到汽车、坦克和飞机的发动机与燃气轮机、磁流体发电的导管、核聚变反应堆内壁、火箭和导弹的喷管喉部与端头，以及航天飞机外层的绝热瓦等，制作材料无不首推高温结构陶瓷，所以高温结构陶瓷在当今时代有着广泛的发展空间。
高温结构陶瓷主要包括高温氧化物和高温非氧化物（或称难熔化合物）两大类。
其中，高温氧化物的代表应数氧化铝陶瓷（也叫人造刚玉），它是一种极有前途的高温结构材料。
它的熔点很高，可作高级耐火材料，如坩埚、高温炉管等。
利用氧化铝硬度大的优点，可以制造在实验室中使用的刚玉球磨机，用来研磨比它硬度小的材料。
用高纯度的原料，使用先进工艺，还可以使氧化铝陶瓷变得透明，可制作高压钠灯的灯管。
除了高温氧化物，高温非氧化物在高温结构陶瓷中也占据着具足轻重的地位。
氮化硅陶瓷是一种超硬物质，密度小、本身具有润滑性，并且耐磨损，除氢氟酸外，它不与其他无机酸反应，抗腐蚀能力强；高温时也能抗氧化。
而且它还能抵抗冷热冲击，在空气中加热到1000℃以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂。
正是氮化硅具有如此良好的特性，氮化硅陶瓷在热机及汽车工业上已有许多重要应用，前景广阔。
而利用它的高强度、耐磨损、耐腐蚀性能，还可在热机以外的领域得到许多应用。
在机械工业上，氮化硅陶瓷可用作切削工具、滚珠轴承和密封磨环。
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高温结构材料
20世纪80年代初，美国和日本相继研制成汽车陶瓷发动机，并分别装在5吨卡车和中型轿车上进行了几千千米的运行试验。
结果表明，这种用新材料制作的发动机比金属发动机提高功效50％，节约能源达40％之多。
这就为陶瓷材料的应用开创了新的途径。
接着，我国于1990年也研制成功无水冷陶瓷发动机（没有冷却水系统），先经过400小时台架试验，后又装在一辆小轿车上，顺利地进行了上海至北京的长距离路面运转试验。
这标志着我国在陶瓷新材料的研究和应用上已达到世界先进水平。
提起陶瓷，大家都很熟悉，因为在日常生活中经常要同它打交道，即每天都要使用的那些盆盆罐罐和杯、盘、碗、碟等器具。
实际上，这些陶瓷制品只是陶瓷王国中的成员之一，叫做“日用陶瓷”。
在人们印象中，陶瓷很脆，一碰就碎，怎能用来制作汽车发动机呢？其实，制造汽车发动机的陶瓷与普通的陶瓷不同，是采用精细原料烧结而成，具有特殊的性能，所以人们将它叫做“精细陶瓷”或“精密陶瓷”“高技术陶瓷”等，通常简称为“精陶瓷”。
精陶瓷是采用人工合成的高纯超细粉末原料，以精确选定的成分配比，在严格控制的条件下经过成型、烧结和其他处理而制成的具有微细结晶组织的无机材料。
由于它具有一系列优越的性能，其应用范围是普通陶瓷无法比拟的。
就以用结构陶瓷制成的柴油发动机来说，这种精陶瓷发动机不仅在高温下强度高、耐磨、耐腐蚀、比金属材料轻、硬度大，而且几乎不导热，可防止发动机内产生的热量散发出去，因而能节省近一半的燃油。
高温结构陶瓷是精陶瓷的典型代表之一。
它是由纯度很高的氮化硅、氮化硼、碳化硅、氧化锆等粉末原料在1700摄氏度的高温下烧结而成的。
这种材料具有强度高、硬度大、耐高温和耐磨等优点，因而成为现代冶金、机
械、汽车、航天工业等许多领域应用的重要材料。
用高温结构陶瓷制成的水泥、冶金用的各种工业窑炉，不仅能耐1200～1300摄氏度的高温（用高温合金制成的窑炉，使用温度一般不超过900摄氏度），而且可节省燃料42％左右。
因此，高温结构陶瓷是制造工业窑炉的最佳材料。
现在北京和一些城市街道上的路灯，大都换成光色宜人的高压钠灯。
这种灯使用的就是用高纯氧化铝制成的陶瓷管（高温结构陶瓷的成员之一），它能耐1000摄氏度以上的高温，不怕急冷、急热，还能节省电能。
如果能推广使用这种照明灯，每年将节省数以亿度计的电能。
高温结构陶瓷还可用来制成切削难加工材料的陶瓷刀具。
它比硬质合金刀具的切削速度快约5倍，使用寿命长20～30倍。
突破思路
硅元素在地壳中的含量仅次于氧，由硅元素形成的一系列无机非金属材料物质越来越广泛的应用于人类的生产和生活中。
1．充分用好课本上的彩图以及学生感兴趣的材料（如硅芯片、光纤等）引导学生掌握硅、二氧化硅的结构、性质、用途等。
2．传统无机非金属材料（玻璃、水泥、陶瓷、砖瓦等）广泛用于建筑领域（高楼大厦、桥梁、大坝、公路等）；新型的无机非金属材料（高温结构陶瓷、生物陶瓷、压电陶瓷等）用于制造汽车发动机、修复再造成人体器官以及声呐系统、气象探测、遥测环境保护、压电地震仪等。
这一部分内容新颖，学生自学就可以掌握。