材料的热稳定性

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1、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抗热冲击损伤性抵抗瞬时断裂（急冷急热）抵抗循环作用的热冲击主要针对脆性和低延性材料主要针对

2、高低延性材料热疲劳什么是热稳定性？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。无机材料或其它脆性材料的热稳定性比较差。日用陶瓷：能承受的温度差为200K左右的热冲击。火箭喷嘴：瞬时可承受3000~4000K温差的热冲击。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。普通耐火材料：龟裂前一次温度加热到一定温度保温急冷重复操作直到试件失重20%。操作次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

3、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热应力：由于材料热膨胀或收缩引起的内应力。起源：热胀冷缩多相复合材料中各相膨胀系数的差异材料中的温度梯度加热过程冷却过程压应力张应力负值正值热应力可导致材料的断裂破坏或发生不希望的塑性变形。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

4、断裂性能第一热应力抵抗因子R第二热应力抵抗因子R'第三热应力抵抗因子R''以强度—应力为判据温差的影响热导率λ传热的途径材料表面散热率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。可能积存的弹性应变能裂纹蔓延时所需的断裂表面能热稳定性对含有微孔的材料和非均质的金属陶瓷有效。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

5、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5.梯度功能材料1993年，美国

6、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。材料复合材料梯度材料设计思想材料优点的相互复合特殊功能为目标结合方式化学键/物理键分子间力/化学键/物理键微观组织界面处非均质均质/非均质宏观组织均质/突变非均质（连续变化）功能一致梯度化梯度功能材料与复合材料比

7、较梯度功能材料的原理及特点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。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

8、（a）无梯度（b）有梯度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