第五讲材料的热稳定性幻灯片.pptVIP

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。 空天飞机 火箭燃烧室 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。 柴油机活塞头 汽油机活塞头 核反应方面 核反应堆内壁温度高达数千K。 如果其内壁材料采用单纯双层结构，热传导不好，孔洞较多，热应力下有剥离倾向。 采用金属/陶瓷结合的梯度材料，能消除热传递及热膨胀引起的应力，解决界面问题，可替代目前不锈钢/陶瓷复合材料。 核反应堆 固体氧化物燃料电池堆的新型设计是采用金属/陶瓷的多层梯度结构，它们与金属整体互连。 组分梯度性过渡可有效减小电池充放电对电极材料引起的微观应力，延长电池使用寿命，有效降低成本，简化制造。 燃料电池 能源方面 光学器件方面 梯度功能材料推动一个新的光学分支-梯度折射率光学的形成，在光学器件中有大量应用。 梯度折射率透镜体积小、焦距短、消像差性好，组成的光学系统可大大减少非球面组件数，简化光学器件结构。 梯度折射率光纤可以自聚焦，提高耦合效率。 梯度折射透镜 棒透镜 生物医学方面 羟基磷灰石(HA)陶瓷和钛或Ti-6Al-4V合金组成的梯度功能材料可作为仿生人工关节和牙齿。 HA是生物相容性优良的生物活性陶瓷，钛及其合金生物相容性也很好，强度高， 人造牙的齿根外表采用耐磨性优良的HA陶瓷，内部采用可承受较大变形的钛或Ti-6Al-4V合金。 梯度功能材料制成的人造牙 烧结后特别适于植入人体，在保证良好的生物相容性的同时提供一定的支撑强度，还可以显著提高牙齿的缺口阻力，抑制微观裂纹损伤。 HA-玻璃-钛功能梯度复合材料截面示意图 电子材料方面 PZT压电陶瓷广泛用于制造超声波振子、陶瓷滤波器等电子元件，但其在温度稳定性和失真振荡方面存在一定问题。 通过调整材料组成，使其梯度化，能使压电系数和温度系数得到最恰当的分配，提高压电器件的性能和寿命。 压电陶瓷器件 本章小结 材料的热容 材料的热传导 材料的膨胀 材料的热稳定性 经典理论 量子理论 影响因素 物理本质 影响因素 基本概念 物理机制 影响因素 热应力 提高抗冲击断裂性能的措施 热容（比热容） 热膨胀系数 热导率 定义 物理本质 影响因素 测量方法 应用 经典理论 量子理论 温度、成分、相变等 差热分析 研究相变 作用力曲线 势能曲线 温度、熔点、相变、成分、各向异性等 热膨胀仪 研究组织转变相变 电子热导 声子热导 光子热导 温度、成分、晶体结构、气孔率等 导热系数仪 复合材料设计 表示热学性能的参数比较 温度的影响 热容 热膨胀系数 导热系数 随温度升高而增大，较高温时趋于平缓。 类似于热容和温度的关系。 随温度升高，先迅速升高然后下降， 至高温时趋缓。 同电导率与温度关系 化学成分的影响 热容 热膨胀系数 热导率 符合线性定律， 同热容与化学成分关系 合金导热系数低于任何组成元素的导热 系数，二元合金在50 %处导热系数最低。 同电导率——成分关系 第四节 材料的热稳定性 顾修全 中国矿业大学 材料科学与工程学院 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