第五讲 材料的热稳定性
材料的热稳定性研究与评价
材料的热稳定性研究与评价引言：在现代科技的发展中，材料的热稳定性一直是研究的重点之一。
热稳定性是指材料在高温环境下的稳定性能，研究和评价材料的热稳定性对于材料的使用和应用有着重要意义。
本文将探讨材料的热稳定性研究与评价的重要性以及常见的研究方法和技术。
第一部分：热稳定性的重要性热稳定性是材料在高温环境中的性能表现，对于各行业的材料应用都至关重要。
例如，在汽车工业中，发动机材料的热稳定性决定了汽车的耐高温性能；在航空航天工业中，航天器的外部材料需要经受极端的高温环境，其热稳定性直接关系到航天器的安全性能。
因此，研究和评价材料的热稳定性对于材料行业的发展和进步具有重要意义。
第二部分：热稳定性研究的方法1. 热失重分析法热失重分析法是一种常见的研究材料热稳定性的方法。
该方法通过加热样品并测量样品质量的变化，可以得到样品随温度变化的热分解情况。
通过对不同温度下的热失重曲线进行分析，可以评估材料在高温下的热稳定性能。
2. 红外光谱分析红外光谱方法可以用来研究材料的结构和化学性质，进一步研究材料的热稳定性。
通过红外光谱的变化可以判断材料在高温下是否发生了化学反应或结构改变，从而评价材料的热稳定性。
3. 差示扫描量热法差示扫描量热法是一种测量材料在加热或冷却过程中释放或吸收的热量的方法。
通过测量材料的热量变化可以得到材料的热分解温度和热稳定性。
这种方法在研究材料在高温环境中的行为以及材料的热稳定性评价中具有广泛的应用。
第三部分：热稳定性的评价研究材料的热稳定性需要进行科学的评价，常见的评价指标包括：1. 熔点和热分解温度：热分解温度是指材料开始分解的温度，可以通过前述的差示扫描量热法来测定。
熔点则是材料的熔化温度，也是评价材料热稳定性的重要指标。
2. 完全分解温度：完全分解温度是指材料在高温下完全失重的温度，通过热失重分析等方法可以获得。
完全分解温度越高，说明材料在高温下的稳定性越好。
3. 结构性能：研究材料的热稳定性也需要关注材料的结构性能变化。
材料热学性能之材料的热稳定性
• 这一现象按强度-应力理论就不能解释。应 从断裂力学观点出发，以应变能一断裂能为判 据的理论。
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
•2．抗热应力损伤因子R″′ 、R″″
• 对于通常在对流及辐射传热条件下观察到的比较低的 表面传热系数，S.S.Manson发现 [ ]max=0.31 。即
•
，另
,
•令
所以
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
——第二热应力因子（J/(cm·s)），
见图3.17。
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
• 3．冷却速率引起材料中 的温度梯度及热应力
见图3.15。
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
根据广义虎克定律：
解得：
• 在t=0的瞬间，
，如果此时达到材料
的极限抗拉强度σf，则前后二表面将开裂破坏，代入上 式：
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
•对于其它非平面薄板状材料制品
•式中：S＝形状因子（shape factor），μ＝泊松比。
•三、抗热冲击断裂性能
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
• 当平板表面以恒定速率 冷却时，温度分布呈抛物线
，表面Ts比平均温度Ta低， 表面产生张应力σ+，中心温 度Tc比Ta高，所以中心是压 应力σ－。假如样品处于加热 过程，则情况正好相反。
• 实际无机材料受三向热应力，三个方向都会有涨缩 ，而且互相影响，下面分析一陶瓷薄板的热应力状态，
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
• 例如，一块玻璃平板从373K的沸水中掉入273K的 冰水溶中，假设表面层在瞬间降到273K，则表面层趋 于的收缩，然而，此时内层还保留在373K，并无收缩 ，这样，在表面层就产生了一个张应力。而内层有一 相应的压应力，其后由于内层温度不断下降，材料中 热应力逐渐减小，见图3.14。
材料热稳定性
材料热稳定性
材料的热稳定性是指材料在高温环境下的稳定性能，是一个重要的材料性能指标。
材料在高温环境下的稳定性能直接影响着材料的应用范围和使用寿命。
因此，研究材料的热稳定性对于材料的设计、制备和应用具有重要意义。
首先，材料的热稳定性与材料的化学结构密切相关。
在高温环境下，材料分子内部的键合和分子结构会发生变化，从而影响材料的性能。
一些有机材料在高温下容易发生分解、氧化等反应，导致材料性能下降甚至失效。
因此，设计和选择具有良好热稳定性的材料是至关重要的。
其次，材料的热稳定性与材料的热分解温度密切相关。
热分解温度是指材料在高温下开始分解的温度。
热分解温度越高，说明材料在高温环境下的稳定性越好。
因此，提高材料的热分解温度是提高材料热稳定性的重要途径之一。
可以通过改变材料的结构、添加稳定剂等方式来提高材料的热分解温度，从而提高材料的热稳定性。
另外，材料的热稳定性还与材料的热氧化稳定性密切相关。
热氧化稳定性是指材料在高温下与氧气发生氧化反应的抵抗能力。
一些高分子材料在高温下容易发生氧化反应，导致材料性能下降。
因此，提高材料的热氧化稳定性也是提高材料热稳定性的重要途径之一。
可以通过添加抗氧化剂、改变材料的结构等方式来提高材料的热氧化稳定性，从而提高材料的热稳定性。
综上所述，材料的热稳定性是一个重要的材料性能指标，与材料的化学结构、热分解温度、热氧化稳定性等密切相关。
研究材料的热稳定性对于材料的设计、制备和应用具有重要意义，可以通过改变材料的结构、添加稳定剂、抗氧化剂等方式来提高材料的热稳定性，从而拓展材料的应用范围，提高材料的使用寿命。
材料力学性能---热稳定性
14
2. 对于多孔、粗粒、干压和部分烧结的制品，目的是提 高抗热冲击损伤性能，措施有： 降低材料的强度σf，提高弹性模量E，使 材料在胀缩时所储存的用以开裂的弹性 应变能小； 选择断裂表面能2reff大的材料，一旦开裂 就会吸收较多的能量使裂纹很快止裂。
5
2. 热应力的计算 (1) 平面陶瓷薄板：
αl E σx =σz = ∆T 1− µ
在t = 0的瞬间， σ x=σz=σmax，如果正好 达到材料的极限抗拉强 度σf ，则前后两表面开 平面陶瓷薄板的热应力图 裂破坏，从而得材料所 能承受的最大温差为： (2) 对于其他非平面薄板状材料：
∆Tmax
适用于一般的玻璃、陶瓷和电子 陶瓷材料
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Materials Physics Properties
7
1. 第一热应力断裂抵抗因子R
σ f (1 − µ ) 由 ∆Tmax = 可知： Tmax值越大，说明材料能承 αl E 受的温度变化越大，即热稳定性越好。
3 2 rm
11
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1.5 热稳定性
四、抗热冲击损伤性能
对于一些含有微孔的材料和非均质金属陶瓷，裂纹在瞬 时扩张过程中，可能被微孔和晶界等所阻止，而不致引起材 料的完全断裂。 考虑问题的出发点： 从断裂力学的观点出发，以应变能-断裂能为判据，即 材料的破坏不仅是裂纹的产生（包括原材料中的裂纹），而 且还包括裂纹的扩展和传播，尽管有裂纹，但当把它抑制在 一个很小的范围，也可能不致使材料的完全破坏。
材料物理化学教案中的材料的热分解与热稳定性
材料物理化学教案中的材料的热分解与热稳定性材料的热分解与热稳定性在材料物理化学教学中占据着重要的地位。
通过对材料在高温下的性能变化进行研究，我们可以深入了解材料的结构与性质之间的关系，为材料的开发与应用提供有益的指导。
本文将介绍材料的热分解过程以及热稳定性的测定方法，并对其在教学中的应用进行探讨。
一、材料的热分解过程材料的热分解是指材料在高温下发生化学反应，破坏原有结构，并形成新的化合物或分解产物的过程。
这一过程常常伴随着能量的吸收或释放，直接影响材料的性能表现。
材料的热分解反应速率与反应温度密切相关，通常遵循阿累尼乌斯方程。
通过研究材料的热分解过程，我们可以了解材料在高温工艺中的稳定性，预测材料在不同条件下的失效机制，为材料的应用提供参考与优化建议。
二、热稳定性的测定方法热稳定性是指材料在高温下的稳定性能，即材料在高温环境下保持相对结构与性能的能力。
热稳定性的测定方法多种多样，我们常用的包括差热分析法（DSC）、热重分析法（TGA）以及热膨胀分析法（TMA）等。
差热分析法是利用样品与参比物在加热或降温过程中吸热或放热的差别，来分析材料的热分解过程。
差热分析曲线能够直观地反映材料的热稳定性，并提供反应的起始与终止温度等信息。
热重分析法通过对样品在升温过程中质量的变化进行测量，来评估材料的失重与热分解行为。
热重分析曲线可以反映材料的热分解过程与机理，对于材料的热稳定性研究具有重要意义。
热膨胀分析法是通过对样品在升温过程中长度或体积的变化进行测量，来研究材料的热膨胀性能以及热分解过程。
热膨胀分析曲线能够提供材料在高温下的热稳定性信息，为材料设计与性能优化提供依据。
三、热分解与热稳定性在教学中的应用热分解与热稳定性在材料物理化学教学中具有广泛的应用价值。
首先，通过对材料的热分解过程进行实验研究，学生能够亲身体验材料在高温条件下的性能变化，加深对热稳定性的理解。
例如，在实验中可以观察材料的差热分析曲线，了解热分解的起始与终止温度，以及反应的速率等关键参数。
材料热稳定性分析
材料热稳定性分析材料热稳定性是指材料在高温条件下是否能够保持其性能和形状的能力。
高温会引起一系列材料的物理、化学、结构和力学变化，因此材料热稳定性分析对于高温应用领域的材料选型、设计优化和使用寿命的评估具有重要意义。
1.高温引起的材料变化高温可引起多种材料变化，主要包括以下几个方面：（1）化学变化：材料中的化学键可由于高温裂解或结合变得更加稳定，导致材料的化学成分发生变化。
（2）微观结构变化：材料中的晶体结构和晶粒尺寸会随着高温的作用而发生变化，包括晶格的缩放、错位、析出、再溶和再结晶等。
（3）物理变化：材料的物理性质会发生改变，例如电导率、热传导率、热膨胀系数、磁性能等。
（4）力学性能变化：氧化、腐蚀和生锈等对材料的力学性能产生极大的影响，材料在高温下还可能发生拉伸、弯曲、断裂等力学变化。
2.材料热稳定性分析方法材料热稳定性分析方法包括工程测量法、热分析法和微观分析法等。
（1）工程测量法：通过对材料在高温下的形状、尺寸、重量、材料伸长率等方面进行实验测量，来分析材料在高温下的稳定性。
（2）热分析法：热重分析、热膨胀分析和差热分析等专用仪器可以通过加热样品并记录样品重量、长度、热量等参数的变化，来评估材料在高温下的化学、物理、结构和力学性质变化，可以用来判断材料的高温稳定性。
（3）微观分析法：透射电子显微镜、扫描电子显微镜和X射线衍射等技术可以对热稳定性变化的微观结构进行分析和观察，包括晶粒、晶体结构、相变等。
3.材料的选择与设计对于要求高温稳定性的材料和构件来说，材料的选择及设计至关重要。
（1）材料要选择具有高温稳定性的材料，如高温合金、耐火材料等，还要考虑材料的成本、可加工性和配套性等。
（2）构件的设计应该尽可能地减少热应力的集中，材料内部的孔洞和缺陷应该进行修补，减少材料的缺陷和故障的发生。
（3）处理过程的优化，如熔炼和热处理等的加工工艺和调控方法，可以改善材料的高温稳定性。
4.结论材料热稳定性分析是对材料高温应用性能评估的重要手段，对于选择和设计高温应用材料和构件具有基础性和指导性的意义。
材料热稳定性的测定
材料热稳定性的测定一、实验目的1、了解陶瓷测定热稳定性的实际意义。
2、了解影响热稳定性的因素及提高热稳定性的措施。
3、掌握热稳定性的测定原理及测定方法。
二、实验原理热稳定性（抗热震性）是指陶瓷材料能承受温度剧烈变化而不破坏的性能。
普通陶瓷材料由多种晶体和玻璃相组成，因此在室温下具有脆性，在外应力作用下会突然断裂。
当温度急剧变化时，陶瓷材料也会出现裂纹或损坏。
测定陶瓷的热稳定性可以控制产品的质量，为合理应用提供依据。
陶瓷的热稳定性取决于坯釉料配方的化学成分、矿物组成、相组成、显微结构、坯釉料制备方法、成型条件及烧成制度等工艺因素以及外界环境。
由于陶瓷内外层受热不均匀，坯料与釉料的热膨胀系数差异而引起陶瓷内部产生应力，导致机械强度降低，甚至发生分裂现象。
一般陶瓷的热稳定性与抗张强度成正比，与弹性模量、热膨胀系数成反比。
而导热系数、热容、密度也在不同程度上影响热稳定性。
釉的热稳定性在较大程度上取决于釉的热膨胀系数。
要提高陶瓷的热稳定性首先要提高釉的热稳定性。
陶瓷坯体的热稳定性则取决于玻璃相、莫来石、石英及气孔的相对含量、粒径大小及其分布状况等。
陶瓷制品的热稳定性在很大程度上取决于坯釉的适应性，所以它也是带釉陶瓷抗后期龟裂性的一种反映。
陶瓷热稳定性测定方法一般是把试样加热到一定的温度，接着放入适当温度的水中，判定方法为：1）根据试样出现裂纹或损坏到一定程度时，所经受的热变换次数；2）经过一定次数的热冷变换后机械强度降低的程度来决定热稳定性；3）试样出现裂纹时经受的热冷最大温差来表示试样的热稳定性，温差愈大，热稳定性愈好。
陶瓷热稳定性的测定方法一般是将试样（带釉的瓷片或器皿）置于电炉内逐渐升温到220℃，保温30分钟，迅速将试样投入染有红色的20℃水中10分钟，取出试样擦干，检查有无裂纹。
或将试样置于电炉内逐渐升温，从150℃起，每隔20℃将试样投入20±2℃的水中急冷一次，直至试样表面发现有裂纹为止，并将此不裂的最高温度为衡量瓷器热稳定性的数据。
材料的热稳定性
中的σ 中的σ
用弹性应变释放率G表示。 用弹性应变释放率G表示。
πcσ 2 将，G = E
R′ = GE
即 σ=
GE πc
代入第二热应力
断裂抵抗因子表示式，得： 断裂抵抗因子表示式，
λ 1 G λ × (1 − µ ) = × (1 − µ ) πc Eα πc E α G λ 表达裂纹抗破坏的能力。 表达裂纹抗破坏的能力。 × E α
式中：2γeff为断裂表面能（J/m2）。 R″′ 实际上是材料的弹性应变能释放率的倒数， 用来比较具有相同断裂表面能的材料。 R″″ 用来比较具有不同断裂表面能的材料。 R″′ 或R″″ 值高的材料抗热应力损伤性好。
3．裂纹安定性因子
D．P．H．Hasselman曾试图统一上述二种理论。 Hasselman曾试图统一上述二种理论。 曾试图统一上述二种理论
（3）高温陶瓷热稳定性的评定及测试方法
高温陶瓷材料是以加热到一定温度后， 高温陶瓷材料是以加热到一定温度后 ， 在水中 急冷， 急冷 ， 然后测其抗折强度的损失率来评定它的热 稳定性。 稳定性。
二、热应力
式中：σ＝内应力（thermal stress），E＝弹性模量 （elastic modulus），α＝热膨胀系数（heat expansion coefficient）， ＝弹性应变（elastic strain）。
1．抗热应力断裂抵抗因子的局限性
抗热冲击断裂是从热弹性力学的观点出发， 以强度-应力为判据，认为材料中热应力达到抗 张强度极限后，材料就产生开裂，一旦有裂纹 成核就会导致材料的完全破坏。 而实际上有些材料在热冲击下产生裂纹，即 使裂纹是从表面开始，在裂纹的瞬时扩张过程 中也可能被微孔、晶界或金属相所阻止，而不 致引起材料的完全断裂。 这一现象按强度-应力理论就不能解释。应从 断裂力学观点出发，以应变能一断裂能为判据 的理论。
第1-5讲 热传导与热稳定性
基本概念： 基本概念： 热传导 热导率（λ） 热导率（ 热扩散率（α） 热扩散率（α） 基本规律： 基本规律： dQ dT = λS 傅立叶（Fourier）定律： dt 傅立叶（ ）定律： dx 魏德曼 弗兰兹定律： 魏德曼-弗兰兹定律 弗兰兹定律：
λ = LT σ
1 . 一定规格的试样，加热到一定温度，然后立即置于 一定规格的试样，加热到一定温度， 室温的流动水中急冷，并逐次提高温度和重复急冷， 室温的流动水中急冷，并逐次提高温度和重复急冷， 直至观察到试样发生龟裂， 直至观察到试样发生龟裂，则以产生龟裂的前一次加 热温度℃表示。（日用瓷） 。（日用瓷 热温度℃表示。（日用瓷） 2 . 试样的一端加热到某一温度，并保温一定时间，然 试样的一端加热到某一温度，并保温一定时间， 后置于一定温度的流动水中或在空气中一定时间， 后置于一定温度的流动水中或在空气中一定时间，重 复这样的操作，直至试样失重20%为止，以其操作次 为止， 复这样的操作，直至试样失重 为止 表示。 数n表示。 表示
声子和声子导热
格波的传播看成是质点-声子的运动；
微观机理
格波与物质的相互作用，则理解为声子和物质的碰撞； 格波在晶体中传播时遇到的散射，则理解为 声子同晶体质点的碰撞； 理想晶体中的热阻，则理解为声子与声子的碰撞。 晶体中，热传导的实质就是碰撞。
光子和光子导热
微观机理
光子的导热： 光子的导热：光子在介质中的传播过程 光的散射、衍射、吸收、反射和折射） （光的散射、衍射、吸收、反射和折射）
耐火材料 ： 1123K； ； 40min ； 283－293K； 3(5－!0)min － ； －
3 . 试样加热到一定温度后，在水中急冷，然后测其抗 试样加热到一定温度后，在水中急冷， 折强度的损失率，作为热稳定性的指标。（ 。（高温结构 折强度的损失率，作为热稳定性的指标。（高温结构 材料）。 材料）。
材料的热力学稳定性研究
材料的热力学稳定性研究材料的稳定性是指在一定的条件下，材料不会发生不可逆的改变。
而热力学稳定性则是指在热力学条件下，材料保持不变的稳定性。
热力学是研究物质转化过程中的热现象和热性能的学科，因此，材料热力学稳定性的研究就是研究材料在不同温度、压力等热力学条件下的稳定性。
一、材料的热力学基础材料的热力学稳定性是建立在热力学基础之上的。
热力学中有两个基本定律，即能量守恒定律和熵增定律。
能量守恒定律指的是在任何物理、化学过程中，系统的总能量保持不变；熵增定律则说明任何不可逆过程都伴随着熵增。
在材料的研究中，热力学定律和材料的热力学参数（如焓、熵和自由能等）是研究材料热力学稳定性的基础。
二、材料热力学稳定性的研究方法材料的热力学稳定性研究有许多方法，其中比较常用的是通过热分析技术（如热重分析、差热分析、热扩散等）和计算化学方法（如密度泛函理论）来得到材料的热力学参数，并通过热力学模型进行分析。
另外，实验方法也是研究材料热力学稳定性的重要途径，如热弛豫、热工实验等。
三、材料热力学稳定性的应用材料的热力学稳定性研究对于很多应用具有重要意义。
例如，对于材料的制备和加工工艺设计，需要考虑材料稳定性的影响。
在材料的使用过程中，热稳定性也是一个重要指标。
例如，在高温下使用材料时，需要考虑材料的热膨胀系数、热导率等参数对于材料的稳定性的影响。
此外，材料的应力松弛、微观结构变化等现象都与热力学稳定性密切相关，因此，在材料破坏和寿命评估的研究中也需要考虑材料的热力学稳定性。
综上所述，材料的热力学稳定性研究是材料科学研究的重要内容之一。
通过研究材料在热力学条件下的稳定性，可以更好地了解材料的性质和行为，为材料制备、加工、使用和破坏等方面提供科学参考。
材料科学基础第5章
材料科学基础第5章第5章的主要内容是关于材料的热学性质和热处理的知识。
在这一章节中，主要讨论了热传导、热膨胀、热稳定性和热处理等方面的内容。
1.热传导：热传导是指热量在物质中传递的过程。
材料的热传导性质取决于其结构、原子之间的相互作用力以及温度等因素。
热传导可以通过导热系数来衡量，导热系数越高，材料的热传导性能越好。
2.热膨胀：热膨胀是指材料由于温度的变化而发生的体积变化。
材料的热膨胀系数是描述材料热膨胀性质的重要参数。
热膨胀系数越大，材料在温度变化下的体积变化越大。
3.热稳定性：热稳定性是指材料在高温环境下的稳定性。
材料在高温下可能发生热分解、氧化、相变等热降解现象。
热稳定性好的材料能够在高温环境下保持其性能和结构的稳定性。
4.热处理：热处理是指通过控制材料的加热、保温和冷却过程，改变材料的组织和性能。
常见的热处理方法包括退火、淬火、回火等。
通过热处理可以改善材料的硬度、强度、韧性等性能，并且可以调节材料的组织结构。
在学习这一章的过程中，我们需要掌握以下几个方面的知识和技能：1.理解并应用热传导和热膨胀的基本原理。
了解不同材料的热传导性质和热膨胀系数，能够计算和分析热传导和热膨胀问题。
2.了解不同材料在高温下的热稳定性，能够评估材料在高温环境下的稳定性和耐热性。
3.掌握热处理的基本原理和方法，能够选择适当的热处理方法来改善材料的性能和结构。
4.熟悉常见的热处理工艺流程和设备，能够进行简单的热处理实验和操作。
总之，热学性质和热处理是材料科学中非常重要的基础知识。
掌握这些知识将有助于我们理解材料的性能和行为，进一步应用于材料设计、制备和应用领域中。
材料物理性能课件-1.5材料的热稳定性
continue
抗热冲击损伤性能
n对于一些含微孔的材料和非均质的材料，裂 纹的瞬时扩展过程可以被微孔、晶界或金属相 所吸收，不致引起材料的完全断裂，即材料发 生热冲击损伤破坏。
Tmax
f
1
E
n其它形状材料需乘以形状因子S才能使用
￭ ΔTmax越大，材料能承受的温度变化越大，
热稳定性也就越好。
continue
抗热冲击断裂性能
n第一热应力断裂抵抗因子R（单位：K）
R
f
1
E
式中：μ泊松比，α热膨胀系数，E弹性模量，
σf断裂强度。
材料的热膨胀系数大小直接与热稳定性有关。
一般小的材料热稳定性就好。
1.5 材料的热稳定性
热稳定性（又称为抗热震性）: 材料承受温度的急 剧变化而不致破坏的能力
热冲击破坏有两种类型：
热冲击断裂----材料在热冲击下发生瞬时断裂; 热冲击损伤----材料在热冲击循环作用下开裂、
剥落，并不断发展，最终碎裂或变质。
continue
热应力
热应力：不改变外力作用状态，材料仅因热 冲击而在材料内产生的内应力; 具有不同热膨胀系数的多相复合材料，由于 各相膨胀或收缩的相互牵制会产生热应力；
continue
抗热冲击断裂性能
材料的断裂破坏还与以下因素有关：
(⑴) 材料的热导率； (⑵) 材料或制品的尺寸，常用半厚rm表征； (3) 材料的表面散热速率(表面热传递系数)h。
Tmax
f 1
E
1 0.31rm h
材料的热膨胀与热稳定性分析
材料的热膨胀与热稳定性分析随着现代科技的发展，材料科学在工程领域扮演着重要角色。
其中，材料的热膨胀与热稳定性是研究材料行为的重要方面。
本文将探讨材料的热膨胀与热稳定性的关系，并分析其在实际应用中的影响。
热膨胀是指材料在受热或冷却过程中发生的体积变化现象。
材料的热膨胀系数是衡量材料热膨胀程度的重要参数。
不同材料具有不同的热膨胀系数，这与材料的结构和成分有关。
一般来说，固体材料的热膨胀系数比液体和气体要小。
这是因为在固态下，材料的分子更加紧密排列，其相互作用力更强，因而对温度的变化更加敏感。
热膨胀不仅仅是一个理论概念，它在实际应用中具有重要的意义。
例如，在建筑工程中，选择合适的材料对于房屋的结构稳定性至关重要。
如果材料的热膨胀系数与环境中的温度变化不匹配，就会导致材料的变形或破裂。
因此，对于建筑材料的选择，需要考虑到其热膨胀性能，以确保建筑物在温度变化下的稳定性。
不仅在建筑工程中，热膨胀也对其他领域的工程设计产生着影响。
例如，在航空航天领域，航天器的材料需要能够承受极端的温度变化。
如果材料的热膨胀系数不稳定，就可能导致失控的热膨胀，进而损坏航天器的结构。
因此，在航天器的设计中，材料的热稳定性是一个重要的考虑因素。
然而，材料的热稳定性并不仅仅受到其热膨胀系数的影响。
材料的结构、热处理过程以及外部环境条件也都会对其热稳定性产生影响。
例如，金属材料的晶格结构可以通过热处理进行调控，以改善其热稳定性。
此外，外部环境的温度和湿度等条件的变化也会对材料的稳定性产生不可忽视的影响。
为了提高材料的热稳定性，科学家们通过研究材料的微观结构和热力学特性，不断探索新的材料制备方法。
例如，纳米材料由于其特殊的结构和界面效应，其热膨胀性能通常更稳定。
因此，纳米材料在高温环境下具有广泛的应用前景。
此外，复合材料也被用于提高材料的热稳定性。
通过将不同材料的优点融合在一起，可以制备出具有优异热膨胀性能的复合材料。
总之，材料的热膨胀与热稳定性是材料科学研究中的重要方面。
1.5材料的热稳定性
1)抗热冲击断裂性-材料抵抗发生瞬时断裂这类破坏的性能； 2)抗热冲击损伤性-材料抵抗在热冲击循环作用下，材料表面 开裂、剥落，并不断发展，最终碎裂或变质这类破坏的性能。
3．热稳定性的评定
（1）一般日用瓷热稳定性的评定及测试方法（试验方法依据 GB/T3298-91 ） 日用型：（最高温度）表面出现裂纹 （2）耐火材料热稳定性的评定及测试方法 对于普通耐火材料，常将试样的一端加热到1123K并保温40分钟，然后臵 于283-293K的流动水中3分钟或在空气中5-10分钟，并重复这样的操作， 直至试件失重20％时的操作次数来表征材料的热稳定性。 耐火材料的抵抗温度急变性能，除和它本身的物理性质如膨胀型、导热性、 孔隙度等有关外，还与制品的尺寸、形状有关，一般薄的、尺寸不大和形 状简单的制品，比厚的、尺寸较大和形状复杂的制品有较好的耐急冷急热 性。 （3）高温陶瓷热稳定性的评定及测试方法
4）第二热应力断裂抵抗因子R′ [σ*]max=0.31β，即对流和辐射传热时的[*]max
[ ] max 0.31
*
rm h
承受的最大温差: 得：
[ ] max
*
Tmax
max (1 ) E
[*]max= / max
f r h 0.31 m E Tmax (1 )
x z y x z
y z E E T 0 E
x y E E T 0 E
y
x z T E E E
薄板的热应力状态
2)热应力与散热的关系 （1）材料的散热与下列因素有关
①材料的热导率：材料的热导率λ愈大，传热愈快，热应力持续一定时间后 很快缓解，对热稳定有利。
5.5材料的热稳定性
• 3．减小材料的热膨胀系数 ． • 4．减小表面热传递系数 h。 ． 。 • 5．减小产品的有效厚度。 ．减小产品的有效厚度。
二、抗热冲击损伤性
抗热冲击断裂性，以强度 应力 应力（ 抗热冲击断裂性，以强度—应力（strengthstress）理论为判据，认为材料中热应力达到抗张强 ）理论为判据， 度极限后，材料产生开裂、破坏。这适应于玻璃、 度极限后，材料产生开裂、破坏。这适应于玻璃、陶 瓷等无机材料。 瓷等无机材料。 能— 抗热 冲击损 伤性 ， 以应变 能 断 裂能 （ strainfracture energy）为判据，认为在热应力作用下，裂 ）为判据，认为在热应力作用下， 纹产生， 纹产生，扩展以及蔓延的程度与材料积存有弹性应变 能和裂纹扩展的断裂表面能有关。 能和裂纹扩展的断裂表面能有关。
另外， 另外，令
，式中
＝毕奥模数，且 毕奥模数，
无
ห้องสมุดไป่ตู้
单位， ＝定义为如果材料表面温度比周围环境温度高1K， 单位，h＝定义为如果材料表面温度比周围环境温度高 ， 在单位表面积上 ， 单位时间带走的热量 ， 材料的半厚（ ） 数， —材料的半厚（cm）。 材料的半厚 —导热系 导热系
对于通常在对流及辐射传热条件下观察到的比较低的 表面传热系数， 表面传热系数，S.S.Manson发现 [ 发现 ]max=0.31 。即
2．第二热应力断裂抵抗因子R′ ．第二热应力断裂抵抗因子
在无机材料的实际应用中，不会象理想骤冷那样， 在无机材料的实际应用中，不会象理想骤冷那样，瞬时 产生最大应力 ，而是由于散热等因素，使 而是由于散热等因素， 滞后 ，
发生，且数值也折减，设折减后实测应力为 令 ，其中 ＝无因次表面应力，见图3.16。 无因次表面应力，见图 。
材料物理性能 1-5 材料的热稳定性
对于其它非平面薄板状材料制品
Tmax
S
f
(1
E
)
式中：S＝形状因子，μ＝泊松比。
式中的其他参数都是材料的本征性能参数，跟 形状无关，可以推广使用。
泊松比是指材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向 正应变的绝对值的比值，也叫横向变形系数，它是反映材 料横向变形的弹性常数。
1.5.3 抗热冲击断裂性能
毕奥模量：β=hrm/λ ，β 无单位
β 越大，对热稳定性越不利
在无机材料的实际应用中，不会象理想骤冷那样，
瞬时产生最大应力σmax，而是由于散热等因素，使 σmax 滞后发生，且数值也折减，β 越小，折减越多。
设折减后实测应力为σ，令 σ*=σ/σmax，其中 σ* --无因次表面应力。
对于通常在对流及辐射传热条件下观察到的比较低的表面传 热系数，S.S.Manson发现 [σ* ]max=0.31β。即
(2) 试样的一端加热到某一温度，并保温一定时间， 然后置于一定温度的流动水中或在空气中一定时间， 重复这样的操作，直至试样失重20%为止，以其操作 次数n表示。（耐火材料）
(3) 试样加热到一定温度后，在水中急冷，然后测其抗 折强度的损失率，作为热稳定性的指标。（高温结构材 料）。
1.5.2 热应力
E
所以
1 Tmax R ' S 0.31rmh
。
S –非平板样品的形状系数
第二热应力断裂抵抗因子R′
考虑了承受的最大温差与最大热应力、材料中 的应力分布、产生的速率和持续时间，材料的特 性（塑性、均匀性、弛豫性），裂纹、缺陷、散 热有关。
rmh值较小时， ΔTmax值与rmh呈反比； rmh值较大时， ΔTmax值趋近一定值。
金属材料的热稳定性与高温蠕变
金属材料的热稳定性与高温蠕变金属材料作为人类历史上最早应用的材料之一，在现代制造业中仍具有重要地位。
然而，在高温条件下，金属材料的性能会发生变化，因此热稳定性和高温蠕变问题一直是材料科学的热点研究课题。
一、热稳定性热稳定性是指材料在高温条件下不发生明显的化学变化和晶体结构变化的能力。
材料的晶体结构稳定性是恶性循环的：如果晶体结构不稳定，晶体受到外界热力作用时，晶体结构会发生变化，从而影响它的物理和化学性质。
因此，材料科学研究者们一直在探究如何提高材料的热稳定性。
提高材料的热稳定性有多种方法，其中常用的是添加合适的稳定剂。
稳定剂可以防止金属材料在高温环境中被氧、氢、硫等物质污染，减少合金元素间的互相扩散，从而延长材料的使用寿命。
此外，提高材料的晶体结构稳定性也是提高其热稳定性的一个重要手段。
例如，进行固溶强化，使合金中的金属原子间距缩短，增加合金的晶格畸变能和位错密度，使其更难发生晶体结构变化。
二、高温蠕变高温蠕变是金属材料在高温下变形的现象。
当金属材料受到温度和应力的联合作用时，金属内部原子会发生位移，从而造成材料的塑性变形。
高温蠕变的机理与材料的内部晶体结构、晶粒大小和应力状态等因素都有关系。
高温蠕变对于许多金属材料的使用都是一个不可忽略的问题。
当金属材料在高温下处于应力状态时，如果其抗蠕变能力弱，就会造成材料的变形，从而影响工件的精度和材料的使用寿命。
目前，提高金属材料抗高温蠕变能力的方法主要有以下几种：1. 添加合适的合金元素，形成纳米级晶粒，使其晶体结构更加稳定，从而减少高温蠕变；2. 降低材料的应力状态，通过改变材料的形状和减少应力集中等方式来降低应力，从而减少高温蠕变。
3. 开发新型金属材料，例如新型高熵合金，其中多种金属原子混合均匀，从而增加材料的热稳定性和抗高温蠕变能力。
总之，金属材料的热稳定性和高温蠕变问题是材料科学研究的重点领域，研究人员通过添加合适的稳定剂、金属元素控制晶体结构和应力状态的方式来解决这些问题。
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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。
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。
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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
x
z 方向上
z
y 方向上
0
在材料断裂的瞬间，σx =σz =σmax，若它恰好达到
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。 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。
热稳定性
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 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
功能
一致
梯度化
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。
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
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
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。
1990年，日本召开第一届梯度功能材料国际研讨会。
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
复合材料 材料优点的相互
复合
化学键/物理键
梯度材料
特殊功能为目标
分子间力/化学键/物 理键
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）
热应力：由于材料热膨胀或收缩引起的内应力。
E
l l
E T T0
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 压应力 负值 冷却过程 张应力 正值
多相复合材料中各相膨胀系数的差异
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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
第三热应力抵抗因子 R''
以强度—应力 为判据
导温系数
第四节 材料的热稳定性
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。
摩擦升温后，梯度材料变化较小 普通材料则变成兰紫色
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
C Q T
T
1 lT
dl dT
物理本质 经典理论 作用力曲线
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。
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。
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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。
同电导率——成分关系
பைடு நூலகம்
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。
可能积存的弹性应变能 裂纹蔓延时所需的断裂表面能
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
n
X
iCi
i 1
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。
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
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。
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。
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
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 热疲劳