材料的热稳定性

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。
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

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。
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
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。
压电陶瓷器件
本章小结

材料的热容
经典理论 量子理论 影响因素

材料的膨胀
物理本质 影响因素

材料的热传导
基本概念 物理机制 影响因素

材料的热稳定性
热应力 提高抗冲击断裂性能的措施
表示热学性能的参数比较 热容（比热容）热膨胀系数 定义 物理本质
C Q T
热导率
Q / S t
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
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。
测量方法 应用
温度的影响
热容
随温度升高而增大，较高温时趋于平缓。
热膨胀系数
类似于热容和温度的关系。
导热系数
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
符合线性定律， C X C
i 1 i
n
i
热膨胀系数
同热容与化学成分关系
热导率
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。
热疲劳
中国矿业大学 材料科学与工程学院
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。
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 Ti6Al-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。
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。
起源：
热胀冷缩 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
多相复合材料中各相膨胀系数的差异
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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
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。
同电导率——成分关系
中国矿业大学 材料科学与工程学院
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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
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 设计思想 结合方式 微观组织 宏观组织 功能 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 均质/突变 一致 梯度材料 特殊功能为目标 分子间力/化学键/物 理键 均质/非均质 非均质（连续变化） 梯度化
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。
第三热应力抵抗因子
R''
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。
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
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本章内容
热容 热膨胀 热传导 热稳定性
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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
核反应堆
能源方面
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
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。
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。
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
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
主要针对高低延性材料
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
T x
T
1 dl lT dT
经典理论 量子理论
作用力曲线 势能曲线
电子热导 声子热导 光子热导
影响因素
温度、成分、 温度、熔点、 温度、成分、 相变等 相变、成分、 晶体结构、气孔率 各向异性等 等 差热分析 研究相变 热膨胀仪 研究组织转变 相变 导热系数仪 复合材料设计