第13章-超高温材料超高温材料

超高温陶瓷材料的制备与力学性能分析引言超高温陶瓷材料，顾名思义，指的是可以在极高温环境下仍保持稳定性能的陶瓷材料。

这种特殊的材料在航空航天、能源、电子等领域具有重要应用价值。

本文将探讨超高温陶瓷材料的制备方法以及力学性能的分析。

一、超高温陶瓷材料的制备方法1. 真空热压制备法真空热压制备法是制备超高温陶瓷材料常用的方法之一。

首先，将陶瓷粉末置于模具中，并在真空环境中预热至高温。

随后，对陶瓷粉末进行压制，使其形成具有所需形状的坯体。

最后，通过高温高压的处理，使陶瓷材料成型。

这种方法可以得到高密度、高强度的超高温陶瓷材料。

2. 化学气相沉积法化学气相沉积法通过将气体反应于表面形成超高温陶瓷材料。

首先，将所需材料的前体化合物气体输入到反应室中。

然后，在适当的温度下，通过化学反应使气体在表面沉积形成固体材料。

这种方法制备的陶瓷材料具有优异的纯度和致密性。

二、超高温陶瓷材料的力学性能分析1. 抗压强度超高温陶瓷材料的抗压强度是衡量其力学性能的重要指标之一。

通过对材料进行压缩试验，可以测得其抗压强度。

这个参数反映了材料在受力情况下的变形能力，越高的抗压强度意味着材料具有更好的抵抗外力的能力。

2. 硬度超高温陶瓷材料的硬度是指其抵抗外界物体压入其表面的能力。

硬度测试常用的方法是维氏硬度测试法。

通过对材料进行一定负荷下的压入测试，可以得到其硬度数值。

高硬度的陶瓷材料往往具有出色的耐磨性和抗刮擦性能。

3. 断裂韧性超高温陶瓷材料的断裂韧性是指材料在受到外界冲击时的抵抗能力。

这个参数直接决定了材料的抗震动和抗震荡性能。

常用的测试方法是悬臂梁法，通过在材料上施加冲击力并测量材料断裂前后的挠度来计算其断裂韧性。

4. 热稳定性超高温陶瓷材料具有出色的高温稳定性，能够在极端高温环境下保持其力学性能。

这种稳定性是由其晶体结构和材料组分的热稳定性共同决定的。

通过热膨胀系数、热导率等参数的测试，可以评估材料的热稳定性。

结论超高温陶瓷材料的制备和力学性能分析是陶瓷材料研究中的重要方向。

第31卷第3期2021年6月广东石油化工学院学报Josm/of GuanuUonu UnOosity of PeWochemical TohnolopyVo/31No.3June2021硼化物基超高温陶瓷材料在热力耦合作用下力学性能研究I刘宝良2李振国2,李艳松2李军旗3（1.广东石油化工学院建筑工程学院，广东茂名525400；2.黑龙江远升工程咨询有限公司，黑龙江哈尔滨150000；3.黑龙江科技大学理学院，黑龙江哈尔滨154022）摘要：以新型天地往返飞行器、高超声速飞行器和火箭推进系统等最具前景的候选材料——硼化物基超高温陶瓷材料的应用为背景,采用有限元法ABAQUS软件对UHTC试件进行数值模拟，得到带有表面贯穿裂纹的UHTC试件在不同加载条件下的应力、应变及应力强度因子的变化规律，为研究材料在热冲击过程中考虑应变速率的影响奠定理论基础。

关键词:超高温陶瓷材料;热冲击;数值模拟;应力强度因子;热应力中图分类号:V528文献标识码：A文章编号:2095-2562（2021）03-0044-05高超声速飞行器的出现将给人类生活带来极为深远的影响7］。

由于硼化物（ZrB0）具有较好的力学性能和热物理性能，包括高熔点（＞3002°C）、高电导率、高热导率、较高的抗热冲击性能，所以硼化物是在高于2202C热冲击环境下应用的最具前景的候选材料7一4。

超高温陶瓷材料具备在高超声速长时飞行、大气层再入、跨大气层飞行和火箭推进系统等极端环境中的性能,其使用对象包括飞行器鼻锥、翼缘、发动机热端等各种关键部位或部件7「8。

哈尔滨工业大学孟松鹤、张幸红等7「5］开展了对ZrB0-SO基超高温陶瓷材料热冲击性能及催化/氧化性能等一系列研究工作。

中国运载火箭技术研究院研发中心屈强等75］通过水淬法对原位合成与热压烧结制备的组分为ZrB0-20%-SO-6.26%ZrC陶瓷材料的热震性能进行了研究。

大连理工大学唐春安等75］运用热传导和热-力耦合的相关理论，借助统计分布来考虑陶瓷中存在的微孔洞和微裂隙。

超高温环境下新型陶瓷材料研究及应用作者：张良来源：《科学与财富》2018年第12期摘要：当今时代，无论是超音速飞行器的设计还是运载飞船应用领域的研究，对新材料的需求日益增强。

普通材料很难在这种高强度环境下稳定工作，而超高温陶瓷材料出现，使我们不仅看到了他在极端环境中的稳定性，而且其物理性能和化学性能方面所具备的优势也显露出来，因此成为了这一领域最有应用前景的新材料。

本文分析了超高温陶瓷材料的研究现状，对超高温材料的体系、合成以及材料涂层等方面分别作了评述，并发现存在的部分问题，进而表明超高温陶瓷基涂层材料在未来将具有良好的发展和应用前景。

关键词：超高温陶瓷；复合材料；新材料应用引言超高温陶瓷指的是能够在1800℃以上的高温环境中正常工作，并具备优秀的抗氧化性和抗震性的陶瓷基新型复合材料。

在航空航天工作中，飞行器需要完成长时间超音速飞行、火箭高速推进、突破和再入大气层等任务，这就需要超高温陶瓷材料的加入，这种材料一般被应用在飞行器机翼、发动机热端以及机舱头部等关键部位和其他关键的零部件。

超高温陶瓷材料将来会得到越来越广泛的应用和发展，针对这种新材料展开的研究可以帮助我们实现航空航天领域发展的巨大进步。

一、超高温陶瓷材料研究背景近日，随着最后一块反射面的安装完成，位于贵州黔南州的世界最大单口径射电望远镜的主体工程顺利完工，这是我国航空航天事业的巨大进步，标志着我们在探索太空的旅途上更近了一步。

而这只能说是探索宇宙的天眼条件，我们能够发现其他星系和其中存在的深空物质，但是我们更需要能够直接到达宇宙空间的航天器来帮助我们更加直接的从太空带回真实的物质样本，供科研工作者进行分析检测，这能够帮助我们直观的分析宇宙。

就像著名科幻小说家刘慈欣先生说的那样，人类探索宇宙的过程中使用航天器飞行的关键操作是要摆脱地心引力，克服尤其造成的引力井对飞行器运动产生的干扰，人类为了摆脱航天飞行中遇到的引力深井作出了各种各样的努力，为此付出了巨大的代价。

第27卷　第5期Vol 127　No 15材　料　科　学　与　工　程　学　报Journal of Materials Science &Engineering 总第121期Oct.2009文章编号:167322812(2009)0520793205硼化锆基超高温陶瓷材料的研究进展闫永杰1,张　辉1,2,黄政仁1,刘学建1(1.中国科学院上海硅酸盐研究所,上海　200050;2.中国科学院研究生院,北京　100049) 【摘　要】　由于在极端环境中具有优异的物理化学性能,超高温陶瓷成为未来高超声速飞行和可重复使用运载飞船领域最具前途的候选材料之一。

本文对硼化锆基超高温陶瓷材料粉体合成、烧结致密化和高温热机械性能(主要为抗氧化和抗烧蚀性能)研究方面作了综合评述,对材料研究和应用方面存在的问题作了初步总结,期望能够为推动超高温陶瓷材料的实际应用起到一定的指导意义。

【关键词】　超高温陶瓷;致密化;抗氧化;抗烧蚀中图分类号:TB335 文献标识码:AR esearch and Development of Z rB 22based U ltra 2highT emperature CeramicsYAN Yong 2jie 1,ZHANG H ui 1,2,HUANG Zheng 2ren 1,L IU Xue 2jian 1(1.Shanghai Institute of Ceramics ,Chinese Academic of Sciences ,Shanghai 200050,China ;2.G radu ate School of the Chinese Academy of Sciences ,B eijing 100049,China)【Abstract 】　Ultra 2high temperature ceramics (U H TC )have become one of the potential strategic materials in the fieldsof f uture hypersonic flights and reusable launch vehicles due to their excellent physical and chemical properties in the extreme environments.Powder synthesis process ,sintering ,high temperature thermo 2mechanical properties ,especially oxidation and ablation resistances were systemically reviewed.Also ,the problems in the material research and applications were preliminarily summarized.It is expected this will provides some guidance for propelling the practical applications of the U H TCs materials.【K ey w ords 】　ultra 2high temperature ceramics ;densification ;oxidation resistance ;ablation resistance收稿日期:2008212215;修订日期:2009203223基金项目:国家自然科学基金资助项目(50632070)作者简介:闫永杰(1981-),男,助理研究员。

超高温材料的制备及其应用随着科技的发展，越来越多的领域需要使用超高温材料。

超高温材料指的是在1500℃以上依然可以保持其强度和稳定性的材料。

下面，我们将从超高温材料的制备和应用两个方面进行详细介绍。

1. 超高温材料的制备超高温材料的制备主要有两种方法：一是结晶生长法，二是粉末冶金法。

结晶生长法：这种方法是通过高温下控制晶体的生长方向来制备出超高温材料。

首先需要制备出一种带有基准晶面的晶体，然后在高温下将其暴露在高于其熔点的蒸汽中，通过基准晶面来控制晶体的生长方向。

然后利用多次晶体生长和特定的加工手段，得到超高温材料。

粉末冶金法：这种方法是将所需元素制备成粉末，通过压制、烧结、热处理等工艺，最终得到超高温材料。

其中，压制是为了将粉末之间的缝隙降低到较小的程度，使它们更加接近密实。

烧结则是将这些粉末加热至一定的温度，使其在颗粒之间结合成块。

热处理是可以通过影响晶体的尺寸、形态和能量状态等方面来改变材料的性质。

2. 超高温材料的应用超高温材料在领域广泛，尤其是在航空航天、环保、能源等领域。

下面分别介绍：航空航天：目前，航空航天领域中，超高温材料的应用已经成为了技术创新的关键因素。

比如，超合金材料、碳纤维等材料都是用于制造航空飞行器的重要材料。

它们具有极高的强度和耐高温性，能够在高空、低温、高温等恶劣条件下保持长时间的稳定性。

环保：超高温材料在环境领域的应用主要为废气处理和污水处理。

通过将超高温材料导入催化器进行催化反应，可以将有害气体完全转化为无害气体，以达到净化空气的目的。

在污水处理方面，常用的方法是将超高温材料加入到污水中进行反应，以达到钝化有害物质的目的。

能源：超高温材料在能源领域的应用主要是用于太阳能热利用和火箭发动机的制造。

超高温材料的高温稳定性和抗腐蚀性，使得其在太阳能集热器的材料制造中占据着重要地位。

而在火箭发动机制造中，超高温材料则可以用于制造发动机部件，提高发动机的燃烧效率和推力。

总之，随着科技的不断进步，超高温材料必将在更多的领域发挥重要作用。

耐超高温的材料耐超高温的材料超高温环境下，常规材料会失效，因此需要开发出能够耐受极端条件的特殊材料。

耐超高温的材料具有高温稳定性、氧化抗性和机械性能等多重特性，广泛应用于航空航天、能源、汽车等领域。

本文将介绍几种常见的耐超高温材料及其应用。

1. 碳化硅（SiC）碳化硅是最具代表性的耐超高温材料之一。

它具有高熔点、高硬度和高强度，能够在高于2000℃的温度下保持稳定性。

碳化硅材料具有良好的导热性能，低热膨胀系数，以及良好的抗氧化和抗冲击性能。

碳化硅的应用非常广泛。

在航空航天领域，碳化硅常用于制造高温结构件，如发动机喷嘴、导热板等。

在能源行业，碳化硅可用于制造燃烧器喷嘴、辐射炉管等高温部件。

2. 氧化锆（ZrO2）氧化锆是一种常见的耐高温材料，它具有高熔点、低热膨胀系数和优异的耐热性。

氧化锆还具有良好的化学稳定性和机械性能，抗氧化性能优于大多数金属材料。

氧化锆通常用于制造耐火陶瓷制品、高温加热元件、防火涂层等。

在航空航天领域，氧化锆用于制造燃烧室涂层、航天器热防护材料等。

3. 钨铼合金（W-Re）钨铼合金是一种耐高温合金，具有优异的耐热性和机械性能。

它的高熔点和良好的延展性使其能够在高温环境下保持稳定性。

钨铼合金在航空航天领域广泛应用，如用于制造发动机喷嘴、涡轮叶片等。

此外，钨铼合金还用于高温实验设备、高温电炉等领域。

4. 铂族金属铂族金属，如铂、钯、铑等，是一类具有优异的耐高温性能的材料。

这些金属具有高熔点、强烈的抗氧化性能和优异的抗热膨胀性能。

铂族金属广泛应用于航空航天领域，制造发动机零件、火箭喷管等。

在能源行业，铂族金属用于催化剂和高温反应器。

5. 高温陶瓷复合材料高温陶瓷复合材料是一种结合了耐温性、高强度和低密度的先进材料。

它由陶瓷基体和增强材料组成，具有优异的机械性能和耐热性能。

高温陶瓷复合材料具有广泛的应用前景。

在航空航天领域，它可用于制造复合热防护材料、航天器外壳等。

在能源行业，它可用于制造储能设备、高温炉炉衬等。

超高温材料超高温材料是指能够在极端高温条件下保持结构稳定性和良好性能的材料。

这些材料通常用于航空航天、能源和其他高温工艺领域。

超高温材料具有以下几个主要特点：1. 高熔点：超高温材料具有较高的熔点，能够在高温环境下保持结构完整。

其中，一些金属材料如钨、钼和铂具有极高的熔点，适合用于超高温应用。

2. 耐腐蚀性：超高温环境中通常存在着高浓度的酸、碱和氧化剂等腐蚀介质，因此超高温材料需要具备良好的耐腐蚀性能，以保持其表面的完整性和性能。

3. 热稳定性：超高温材料需要在高温环境下保持结构稳定性和性能不受影响。

这要求材料具有良好的热稳定性，能够在高温下长时间使用而不发生析出、热膨胀或热疲劳等问题。

4. 低热传导性：超高温材料通常需要具有较低的热传导性，以防止热损失和热扩散。

这可以减少能量的消耗，并提高材料的效率。

5. 机械强度：超高温材料需要具有足够的机械强度，以抵抗高温环境下的负载和应力。

这要求材料具有良好的耐热震性、抗拉伸性和抗蠕变性。

目前，有几种超高温材料已经得到广泛应用：1. 碳化硅：具有良好的高温稳定性和耐腐蚀性能，广泛应用于航空航天、能源和高温工艺等领域。

2. 氧化锆：具有较高的熔点和良好的热稳定性，被用作高温涂料、耐火材料和陶瓷制品等。

3. 高温合金：由镍、钴、钨等金属合金组成，具有良好的高温强度和耐腐蚀性，广泛应用于航空发动机、燃气涡轮和核反应堆等领域。

4. 纳米材料：纳米材料具有较高的比表面积和特殊的物理化学性质，被广泛研究和应用于超高温材料的领域，如纳米陶瓷和纳米涂层等。

超高温材料的研究和应用对于推动科学技术的发展和创新具有重要意义。

随着人类对高温工艺和能源的需求不断增加，超高温材料的研究和应用将会发挥越来越重要的作用，为人类社会的可持续发展做出贡献。

第二节化学合成材料一、单选题(本大题共15小题，共30．0分)1．下列叙述错误的是（）A．三大合成材料是指塑料、合成纤维、合成橡胶B．聚乙烯塑料袋可用加热法封口C．燃烧法可辨别毛衣的成分是羊毛还是化纤D．棉花和涤纶都是天然纤维2．制作汽车轮胎的材料属于（）A．金属材料B．合成塑料C．合成纤维D．合成橡胶3．下列材料属于无机非金属材料的是（）A．黄铜B．玻璃钢C．聚乙烯D．陶瓷4．人类的衣、食、住、行都离不开化学，下列化工产品都是重要的材料。

其中属于复合材料的是（）A．钢筋混凝土B．玻璃C．PE塑料袋D．铜丝5．化学源于生活，同时又服务于生活．以下做法不合理的是（）A．用氮气填充灯泡，做保护气B．用甲醛溶液浸泡海产品C．用生石灰做食品干燥剂D．用灼烧法区别涤纶纵物和纯羊毛织物6．学习生活中接触到的下列物品是由天然材料制成的是（）A．木质课桌B．塑料三角板C．橡皮D．中性笔芯7．下列物品是用合成有机高分子材料制造的是（）A．木制家具B．塑料雨衣C．羊毛毛衣D．纯棉T恤8．“信息”“材料”“能源”被称为新科技革命的三大支柱，下列叙述不正确的是（）A．塑料制品的广泛应用“有百利而无一害”B．太阳能、氢能将是未来发展的主要能源C．新型材料将在航空航天领域中得到广泛应用D．用乙醇汽油作为汽车的燃料，可节省石油资源，减少汽车尾气的污染9．下列方框内是对某一主题知识的描述．其内容全部正确的一组是（）A．安全常识：室内煤气泄漏--立即打开排风扇浓硫酸沾到皮肤上--立即用水冲洗B．环保知识：大量使用含磷洗衣粉-一污染水资源减少化石燃料的燃烧--减少空气污染C．实验现象：在酒精灯上点燃棉花--有烧焦羽毛气味用pH试纸测定酸溶液的pH-一试纸由黄色变为红色D．物质用途：熟石灰一一改良酸性上壤、配制波尔多液磷酸二氢钙[Ca（H2PO4）2]-一用作复合肥料10．化学与生活密切相关，下列有关说法错误的是（）A．用灼烧的方法可以区分蚕丝和棉纱B．食用油反复加热会产生大量有害物质C．加热能杀死流感病毒是因为蛋白质受热变性D．医用消毒酒精中乙醇的体积分数为95%11．下列物质的鉴别方法不正确的是（）A．通过测导电性鉴别酒精和糖水B．用紫甘蓝汁鉴别白醋和纯碱溶液C．用灼烧法鉴别羊毛线与棉纱线D．通过磁铁吸引鉴别易拉罐是铝制还是铁制12．下列对化学知识的归纳不正确的是（）A、物质的俗名B、物质的分类氢氧化钠的俗名--苛性钠碳酸钠的俗名--纯碱HNO3--酸NaOH--碱C、物质的物理性质D、物质的鉴别干冰能升华氧化钙加水会放热化纤与纯羊毛面料--燃烧闻气味食盐与硫酸钠--加氯化钡溶液A．A B．B C．C D．D13．下列叙述不正确的是（）A．可以用燃烧的方法来区分羊毛和涤纶B．可以用肥皂水鉴别软水和硬水C．洗发时，先用洗发剂再使用护发剂，这样对头发有保护作用D．氢氧化钠溶于水形成溶液过程中，温度降低14．制造下列物品应该用热固性塑料的是（）A．炒菜用的铁锅手柄B．食品包装袋C．雨衣D．塑料盆、塑料桶15．小明同学对部分化学知识归纳如下，其中完全正确的一组是（）A．化学与人体健康①人体缺钙会导致骨质疏松症②人体缺锌会导致甲状腺肿大③人体缺铁会导致贫血症B．资源的利用和保护①保护空气要减少有害气体和烟尘的排放②爱护水资源要节约用水和防止水体污染③保护金属资源只能通过防止金属锈蚀实现C．“低碳经济”的措施①改造或淘汰高能耗、高污染产业②研制和开发新能源替代传统能源③减少使用一次性塑料方便袋和筷子等D．日常生活经验①洗涤剂去油污-是溶解作用②区别硬水与软水-加入肥皂水振荡③区分羊毛纤维与合成纤维-灼烧后闻气味二、简答题(本大题共2小题，共10．0分)16．化学与生活息息相关，请你用化学知识回答下列问题。

超高温超导材料的设计与制备超高温超导材料的设计与制备一直是材料科学领域的重要研究方向之一。

超高温超导材料具有许多独特的物理性质和广泛的应用前景，尤其是在能源传输和储存、电动汽车、高性能计算和磁共振成像等领域。

在超高温超导材料的设计和制备方面，有几个重要的考虑因素。

首先，超高温超导材料需要具备较高的临界温度，即超导转变温度。

临界温度越高，材料在超导状态下的电流传输能力越强，能够应对更高的温度环境。

其次，材料还需要具备良好的超导电性能，包括零电阻和完全内部磁场排斥。

最后，超高温超导材料的制备方法需要是可行的、可扩展的，并且材料结构应该是稳定的和可控的。

目前，科学家们已经成功合成了一些具有较高临界温度的超高温超导材料，如钇系铜氧化物（YBCO）和铁基超导体等。

这些材料的设计和制备通常是通过粉末冶金方法，包括固相反应、热压和退火等步骤。

这些方法在材料研究领域已经有很长的历史，能够提供相对简单、可控的制备途径。

然而，这些材料的超导性能仍然存在一些限制，如临界温度较低、载流能力不够强和化学稳定性较差等。

为了克服这些限制，近年来，科学家们提出了许多新的超高温超导材料的设计思路和制备方法。

其中一种方法是基于金属氧化物界面的设计和制备。

通过精确控制金属氧化物界面的结构和化学组成，可以调节材料的电子结构和超导性能。

这种方法可以使材料具备更高的临界温度和更好的超导电性能，并且可以通过调节不同金属氧化物界面来实现不同温度范围内的超导转变。

然而，这种方法的制备工艺相对复杂，需要高度纯净的材料和精确的界面控制技术。

另一种方法是基于高压合成的设计和制备。

通过在高压下合成材料，可以调节材料的晶体结构和晶格参数，从而影响材料的电子结构和超导性能。

高压合成方法具有很高的制备温度和压力的要求，但可以获得非常复杂和优异的结构。

例如，通过高压合成的碳化硼（BC3）材料，提供了极高的临界温度和出色的超导电性能。

然而，高压合成的制备条件要求极高，制备过程相对较为困难。