航空耐高温材料综述-

第一篇：航空耐高温材料综述-

航空耐高温材料综述

摘要：现在的航空耐高温材料都围绕着解决高速飞行而进行巨大的研究工作，由于高速飞行的发展，无论是飞行器表面还是内部动力装置都带来了高温问题。因此对于材料的耐高温性能有更高的要求，本文重点介绍几种发动机常用耐高温材料。

关键词：耐高温、镍基合金、钛基合金、航空发动机 一．耐热材料发展的简述：

早在1820年，法国Faraday Stodart和Borthiu分别研制出铁—镍、铁—铬合金。1902年在法国发展了镍铬钢，当时都作为抗腐蚀材料的用途，1912年德国Kruppt获得了两种镍铬钢的专利（铁素体钢 0.15%C、14%Cr、1.8%Ni；奥氏体钢 0.25%C 20%Cr 7%Ni）它们都是现在耐热不锈钢和Fe基耐热合金的基础。在镍铬钢发展的年代里，1910年美国Haynes研制了钴基合金，由于钴基合金具有高的硬度，当时主要呗用作切削工具等。直到30年代里，人们对钴基合金的耐高温性质有了新的认识,并在蒙氏合金的基础上发展了镍基合金。这就是后来被广泛应用在燃气涡轮叶片等材料的钴基合金与各种镍基耐热合金的开端。

地面燃气涡轮动力在工业上的发展，在30年代里有力的推动了耐热材料的发展。Fe基耐热合金是当时用作涡轮盘和叶片的主要材料。40年代初钴基合金铸造问题的改进与镍基合金高温强化问题的解决，从材料上提供了航空燃气涡轮发展的条件。

二次大战以后，随着航空喷气动力技术的迅速发展，各国对耐热合金材料相继进行了大量的研究和改进，在原有基础上不断提高镍基钴基合金的高温性能；在陶瓷、金属陶瓷以及高熔点的金属材料领域展开了广泛的研究工作。二．现代航空耐高温材料

现在的航空耐高温材料都围绕着解决高速飞行而进行巨大的研究工作，由于高速飞行的发展，无论是飞行器表面还是内部动力装置都带来了高温问题。提高发动机的推理与有效工作系数，需要提高工作温度或压缩比，比如：涡轮喷气发动机的进气温度从815度升高到1040度，推理相应增大30%--40%。这就使材料面临着高温高应力的问题，增大压缩比就需要材料在更高的温度下保持现有的抗蠕变性能。自飞机问世至2O世纪60年代初。航空发动机材料主要采用钢材和铝材，钢材主要用于发动机的齿轮、涡轮轴、涡轮盘、燃烧室外壳等一些主要承力部件的制造；而铝基材料则主要用于压气机叶轮、叶片、油泵壳体等部件。由于各部件所处工作环境不同(温度、受力等)，因此，其材料的组分也不同。但这两类材料自身的刚度、强度等固素，限制了人们对发动机性能的更高要求，特别是严重影响了发动机推重比的提高。

此外铝基材最的的提点就是易腐蚀，严重影响了发动机的使用寿命，为解决这些问题开始研制采用镍、钛合金来制造发动机主要部件，镍基主要制造火焰筒、涡轮叶片等部件，钛基材料主要用来制造压气机盘和叶片等部件。此外在60年代国外研制的涡轮发动机，在追求高性能研制思想的指导下，变出要求高推重比、高增压比和高涡轮前温度。由于材料方面研究相对落后。造成发动机的结构故障显著增加。70年代初期，C／C复合材料开始出现．这是一种新型的特种工程材料。除了具有石墨的各种优点外。强度和冲击韧性比石墨高5—1O倍．刚度和耐磨性高，化学厦足寸稳定性好，适于高温技术领域。准备用于制造加力燃烧室筒、叶片盘整体结构、涡轮厦尾啧管等部件。但其研制、应用进展缓慢。

三．镍基合金

在整个高温合金领域中，镍基高温合金占有特殊重要的地位。与铁基和钴基高温合金相比，镍基高温合金具有更高的高温强度和组织稳定性，广泛应用于制作航空喷气发动机和工业燃气轮机的热端部件。在目前的先进发动机上，不仅涡轮叶片和燃烧室，甚至于压气机后几级叶片和盘也开始使用镍基高温合金.高温合金的发展动力直接来自于燃气涡轮发动机的发展。为满足航空汽轮发动机推力和效率的日益增长、工作温度不断提高的需要，一些新型高温合金和先进生产制造技术及工艺相继产生。涡轮叶片最高使用温度的提高一半得益于叶片设计，半得益于合金研发及工艺的进展，包括成分和结构的优化。从40年代到50年代中期，合金主要是通过成分调整来提高合金性能。50年代后期以后，合金性能主要以工艺的改进来不断提高，如真空冶炼、精密铸造，不但合金化程度可以进步提高，而且合金质量容易得到保证。进入6O年代，相继出现定向凝固、单晶合金、粉末冶金高温合金、定向共晶及机械合金化等新工艺，使合金性能不断提高

镍基高温合金的发展趋势是耐高温能力更强的单晶高温合金。单晶高温合金由于其优异的高温力学性能得到了广泛应用。至今，单晶高温合金已经发展到第四代。使用温度接近合金熔点80-9096的第三代镍基单晶高温合金代表了上个世纪末高温合金发展的最高水平。目前，更加优良的第四代单晶的研制已经取得了初步进展。

镍基高温合金在高温合金的发展中占有重要地位，目前主要的研究对象是耐高温能力较好的单晶合金，主要是添加铂族元素的镍基单晶高温合金。金属间化合物，共晶，陶瓷等材料由于自身性能限制未能应用于航空发动机制造行业。

航空发动机盘用镍基超合金

该类合金的发展目标是通过增加添加元素，使其具有更高使用温度。新近发展的一种蠕变及疲劳性能更优良的镍基合金，其成分为 Ni-20Cr-1.5Ai-3-Ti-4.5Mo-13.5Co。最初采用真空感应熔炼(VIM)和真空电弧重熔(VAR)制备此合金。由于合金出现成分偏析白斑和碳化物聚集导致盘件寿命降低，美国特种金属公司(SMC)改用VIM 和电渣精炼才消除了这些缺陷，未来更新的发动机要求使用材料的温度和强度更高。最初用于叶片的Udimet720合金Ni-16Cr-2.5AI-5Ti-3Mo-14.7Co-1.25W)需采用粉末冶金方法才能制备成大型盘锻件，而现在SMC通过对熔炼和精炼工艺，以及锻造工艺的研究改进，已成功地制备了250mm直径的锻坯，并且用在了民用和军用机的发动机上。Inconel 7l8SPF可超塑成型的镍基合金

该合金成分与标准的(AMS5596)Inconei7l8合金相同，含50％Ni，17％Cr，0。6％Al，1％Ti，30％Mo，5％Nb，余量为Fe。但合金也有自己的标准AMS 5950，其主要差别是要求用最佳的热变形得到细的晶粒度，与普通Inconei718合金相比，细晶可超塑成型的Inconei718SPF合金疲劳寿命提高100倍，而且充分利用超塑成型技术更容易制成形状复杂，高温下比强度高，制造成本低的元件。因为最初的超塑成型技术主要用于铝和钛合金。Inconei718SPF超塑成形合金代表着材料超塑成形技术领域的最新进展。

Allvac718+是一种新型的析出硬化型镍基高温合金，可以在704摄氏度时仍保持极好的强度和持久性能。这种合金具有Waspaloy合金所具有的耐高温性能和热稳定性，同时保留了标准718合金的加工特性。此外，由于具有较低的内在原料成本，7l8合金比Waspaloy合金在成本上有优势，而且还有改良的热加工性和焊接性能，使成品零件具有较好的成材率。718+合金的强化相

718+合金中的主要强化相为γ，其体积分数随δ相的量不同，范围为19.7％～23.2％。γ相强化合金如Waspaloy和Rene41在高温下均比γ相强化合金如718具有更好的稳定性。这是由于γ相在650℃--750℃的温度范围内生长迅速，而且部分分解以平衡δ相。研究718+合金中的γ相表明其中铌和铝含量很高，与在Waspaloy和Rene41中的非常不同。这可以说明其独特的析出行为和强化效应。718+合金中含有δ相，在热力学处理过程中对合金的持久性能、缺口塑性以及调节显微结构都很有利。然而，δ相的体积分数与718合金相比非常少，并且在高温时以非常缓慢的速率趋于稳定。718+合金中也存在一些γ相，但数量较低，小于7％。

四．钛合金

钛合金在现代飞机上的应用越来越广泛,尤其是在高性能战斗机的风扇叶片、压气机叶片、盘、轴、机匣、骨架、蒙皮、机身隔框和起落架大都需要钛合金。在航天工业中,使用钛及其合金制造燃料储箱、火箭发动机壳体、火箭喷嘴导管、人造卫星外壳等。所以,现代航空航天工业中钛被称为不可缺少的太空金属 钛是同素异构体，熔点为1668℃，温度低于882℃时呈密排六方晶格结构，称为α钛；高于882℃时呈体心立方晶格结构，称为β钛。通过添加合金元素，使其相变温度及相分含量改变，可得到不同组织的钛合金。室温下，钛合金可分为三类：α钛合金(TA)、(α+β)钛合金(TC)和β钛合金(TB)。其中，钛合金的切削加工性最好，(α+β)钛合金次之，β钛合金最难加工 钛及其合金的主要特点是：

(1)比重较小，仅约为铁的一半稍高；

(2)强度较高，可与钢铁相匹比，而比强度则是目前金属材料中最高的；

(3)耐腐蚀性强，无论在大气、海水中以及在含硝酸和氯气的氯化介质中，其抗蚀能力都相当高，抗应力腐蚀的能力也很强；(4)加工成型以及焊接等工艺性能也相当好。航空用钛合金

钛及钛合金因密度小、比强度高、耐海水及海洋大气腐蚀、无磁、透声、抗冲击震动、可加工性好等优异综合性能，是一种理想的航空及非航空用金属材料，世界主要发达国家如俄、美、日等对钛合金的研究应用均十分重视，使钛合金取得了明显的应用。

从20世纪50年代开始，钛合金在航空航天领域中得到了迅速的发展。如美国的客机波音777含钛合金的量为7％，最先进的波音787客机为15％，欧洲的空客A380客机为10％，运输机C-17为10.3％，战斗机F-4为8％，F-15为25.8％,F-22为39％,F-22四代战斗机用钛量为41％,F-119发动机用钛量为40％。

由此可见，超级大国的空中优势和海上霸权都是以强大的钛工业为基础的。他们在大力发展常规钛合金应用的同时，也注重研究新型钛合金，如美国的Alloy C阻燃钛合金、Timet LCB和Timet62S低成本钛合金；俄罗斯的BT22、BT36等，并形成了490 MPa、585 MPa、686 MPa和785MPa不同强度级别的专用船用钛合金系列。

我国钛合金研究已有40多年的历史，起源于航空，仿制了许多钛合金，而真正独立研制的钛合金是从20世纪70年开始，如沈阳金属所的550℃高温钛合金Ti55、600℃高温钛合金Ti60等；北京有色金属研究院的高强高模钛合金HE130等；北京科技大学的高Nb-TiA1合金等。西北有色金属研究院是我国钛合金研究的专业化研究院所，建院近40多年来，不仅仿制了众多的钛合金，并使

合金批量化规模化生产、应用，也创新研制了30多种新型钛合金，如具有我国自主知识产权的Ti75、Ti-B19、Ti31、Ti91、TC21、CT20、Ti12LC、TP650等等，其中部分新合金也得到批量化生产和应用，取得了良好的成绩。已形成了高温钛合金、阻燃钛合金、超高强钛合金、钛基复合材料、强韧性损伤容限钛合金、低温钛合金、超塑钛合金、船用钛合金、医用钛合金等。

航空发动机压气机叶片、盘和机匣等零件要求在室温至较高的温度范围内具有高的瞬时强度、持久强度、高温蠕变抗力、组织稳定性和高低周疲劳性能。α 型和近α 型钛合金具有良好的蠕变、持久性能和焊接性，因此适合于在高温环境下使用。近β型和β型钛合金尽管在室温至300℃左右具有高的拉伸强度，但在更高的温度下，合金的蠕变抗力和持久性能急剧下降。α+β型钛合金不仅具有良好的热加工性能，而且在中温环境下还有良好的综合性能。按照发动机零件的使用环境和对材料的性能要求，α型、近α型和α+β型钛合金更能满足发动机的工作要求。经过半个世纪世界各国钛合金研究工作者的努力，目前固溶强化型航空发动机用高温钛合金的最高工作温度已由350℃提高到了600℃

我国于20 世纪70 年代开始研制航空发动机用高温钛合金目前在我国航空发动机上获得应用的主要是α+β型钛合金，工作温度均在500 ℃以下。更高温度使用的近α型钛合金(如600℃高温钛合金)尚处于研发阶段，未获得应用。我国在航空发动机上使用的工作温度在400℃以下的高温钛合金主要有TC4，TC17，应用于发动机工作温度较低的风扇叶片和压气机第1，2 级叶片，TC6 的用量较少，主要用于发动机紧固件。500℃左右工作的高温钛合金有TC11，TA15 和TA7 合金，其中TC11 是我国目前航空发动机上用量最大的钛合金当工作温度达到500 ℃以上时，钛合金的蠕变性能和热稳定性的重要性愈加突出，而这2种性能之间往往存在矛盾，需要通过优化合金成分和控制显微组织使这2 个性能得以更好地匹配。目前，各国研制和使用的500 ℃ 以上高温钛合金均为Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系，最高使用温度已达到600 ℃，我国的600 ℃高温钛合金Ti60还处于研制阶段，尚未获得正式应用。

30年来，钛合金的操作温度已由300℃左右提高到600℃。具体地说，l948年时IMI318合金用在325℃，l958年时IM1550合金用在400℃，1965年时IMI 684合金用在600℃，l968年时IMI685合金用在520℃，l977年时IMI829合金用在550℃，1983年时IM1834合金用在600℃。

α+β型钛合金

早期的钛合金都是α+β型的，它们含有亚稳定的α和β两种添加剂，其特点是由两相等轴组织构成。这类合金的典型代表是IMI318(Ti-6AI-4V)，虽然它是美国最初开发的台金之一，但它至今仍是最广泛应用在不超过325℃ 温度下的钛台金，绝大多数燃气涡轮发动机的壳体部件、风扇盘和叶片、低级和中级压气机盘和叶片都是用该台金生产的，RB211和CFM56是其最好的例子。

另一种重要的α+β合金是IMI550(Ti-4Al-2Sn-4Mo-0.5Si),它的强度要比IMI318高一些，并且在400℃时显示出良好的抗蠕变能力

参考文献：

【1】 【2】 【3】 【4】 【5】 章笑燕 航空工业镍基高温合金.现代材料动态 2007.6 钛合金在航空航天领域中的应用 赵树萍 吕双坤钛工业进展 2002年第6期 国外航空材料发展现状 陈亚莉 中国航空工业发展研究中心

钛及钛合金的发展与应用研究 张卫 锁科技创新导报 2011 NO.07 钛合金文献综述 卫争艳 技术中心 2008第1期

第二篇：各种耐高温材料

各种耐高温塑料

★ PBI（聚苯并咪唑）：超耐高温（热变形温度425℃，长期使用温度310℃）、高耐磨、高强度、高刚性、极低的线形膨胀系数、出色的抗高能辐射性能、低可燃性、低排气性；

★LCP(液晶聚合物)：耐高温（热变形温度可高达335℃）、尺寸稳定性好（热膨胀系数非常小）、刚性好、高强度、绝缘、耐腐蚀，可注塑成型，适合注塑各种薄壁电子、电器元件，本公司提供日本宝理、日本住友、美国杜邦的各种牌号的颗粒料 ★ 聚醚酰亚胺（PEI）：耐高温（长期工作温度200℃）、高强度、高韧性、透波性好、耐磨、绝缘、耐腐蚀，可注塑、流动性好，★ PPA、PA6T（耐高温尼龙）：耐高温（长期工作温度180℃，短期280℃）、韧性好、流动性好、耐磨、绝缘、耐腐蚀，适合注塑各种薄壁电子、电器元件，本公司提供苏威公司、日本三井等公司的高性能耐高温尼龙。★ PAI（聚酰胺酰亚胺）：耐高温（长期工作温度260℃，短期300℃以上，玻璃化温度285℃）、高耐摩擦、高强度、优越的抗高能辐射性能、突出的抗紫外线性能、自润滑、低可燃性

第三篇：环保耐高温颜料

环保耐高温颜料

钴蓝

颜料代号：PB-28

钴蓝化学名称：钴蓝

钴蓝化学性质： 钴/铝 氧化物（Co-Al-O）

钴蓝颜料索引号： 颜料蓝28/P.B.28(77346)

钴蓝CAS号： 1345-16-0

钴蓝外观： 蓝色粉末

钴蓝晶型： 尖晶石型

技术指标：

耐热性(℃)

耐光性（1-8级）

耐候性（1-5级）

吸油量（cc/g）

PH值

平均粒径（µm）

产品特性

钴蓝具有一种独特的红光蓝色：色调鲜明，色泽艳丽，易分散；

钴蓝优良的耐热、耐候、耐酸碱性，耐各种溶剂性；

而且钴蓝遮盖力好，无毒。具有特殊防远红外功能，是军事伪装涂料理想选择颜料。产品用途1200 8 5 28-37 7-9 ≤2.5

钴蓝适用于外墙涂料,氟碳涂料,建筑涂料,工程机械涂料,航空及船舶涂料,汽车涂料,伪装涂料,卷钢涂料,道路标志涂料,岩体壁画涂料,绘画涂料；粉末涂料,油性涂料,水性涂料；耐晒涂

料，耐候涂料，抗紫外线涂料，耐高温涂料等;

另外，钴蓝因具有特殊防远红外功能，是军事伪装涂料理想选择颜料。

钴蓝还可用一般塑料,工程塑料,特种塑料,色母粒等;

钴蓝也可以用于彩色玻璃,日用搪瓷,建材陶瓷(釉上,釉下),彩色油墨,彩色砂石等领域.另外钴蓝颜料经SGS检测，完全符合欧盟ROHS标准、欧盟EN71-3标准，美国ASTM F963标准和日本SONY标准，可应用于对环保性能有要求较高的领域，如食品包装容器，儿童玩具，生活餐具等

钛 镍 黄

钛镍黄(P.Y.53)

钛镍黄化学名称：钛镍钛黄/钛镍黄/钛铬黄(绿光钛黄)

钛镍黄化学性质：镍/锑/钛 氧化物（Ti-Ni-Sb-O）

钛镍黄颜料索引号：颜料黄53/P.Y.53(77788)

钛镍黄CAS号：8007-18-9

钛镍黄外观：黄色粉末

钛镍黄晶型：金红石型

技术指标：

耐热性(℃)

耐光性（1-8级）

耐候性（1-5级）

吸油量（cc/g）

PH值

平均粒径（µm）

产品特性1000 8 5 11-17 7-9 ≤2.5钛镍黄易分散，具有良好的遮盖力，优异的耐光、耐候、耐热稳定性，耐酸碱及化学腐蚀性，无渗色和迁移。钛镍黄与大多数热塑性和热固性树脂相容，是一种国际上公认的无毒环保颜料。传统的颜料，无论是有机的，还是无机的，都不具备以上全面功能。钛镍黄其色谱范围可从绿光淡黄、正黄直至红光黄。钛镍黄适用于现代涂料(外墙涂料，氟碳涂料，航空涂料，船舶涂料，汽车涂料，高档烤漆烘漆色漆等)和工程塑料、建筑材料(建筑陶瓷，彩色玻璃，彩色砂石)等的高性能要求。

产品用途

钛镍黄适用于外墙涂料,氟碳涂料,建筑涂料,工程机械涂料,航空及船舶涂料,汽车涂料,军用伪装涂料,卷钢涂料,道路标志涂料,岩体壁画涂料,绘画涂料;粉末涂料,油性涂料,水性涂料;耐晒涂料，耐候涂料，抗紫外线涂料，耐高温涂料等;钛镍黄还可用一般塑料,工程塑料,特种塑料,色母粒等;钛镍黄也可以用于彩色玻璃,日用搪瓷,建材陶瓷(釉上,釉下),彩色油墨,彩色砂石等领域.另外钛镍黄颜料经SGS检测，完全符合欧盟ROHS标准、欧盟EN71-3标准，美国ASTM F963标准和日本SONY标准，可应用于对环保性能有要求较高的领域，如食品包装，儿童玩具，生活餐具等。

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第四篇：第二章 耐磨耐高温材料

第二章 耐磨耐高温材料 第一节 耐磨材料

在此主要介绍制造刀具的耐磨材料，常用的耐磨材料有碳化硅、氮化硼、氧化铝和硬质合金。

它们都是硬度大，熔点高的物质，而且在较高的温度下仍能保持足够的硬度和耐磨性。

一、碳化硅（SiC）

碳化硅的晶体结构和金刚石相似，属于原子晶体。它可以看作是金刚石晶体中有半数的碳原子被硅原子所取代。mp=2827℃，硬度近似于金刚石，故又称为金刚砂。

制备，将砂子（二氧化硅）和过量焦炭的混合物放在电炉中加热：

加热 SiO2 + 3C ——→ SiC + 2CO 电炉

制得的碳化硅是蓝黑色发珠光的晶体,化学性质很稳定,即使在高温下也不受氯、氧或硫的侵蚀,不和强酸作用,甚至发烟硝酸和氢氟酸的混合酸(HNO3 + HF)也不能侵蚀它。

但是SiC在空气中能被熔融的强碱或碳酸钠分解: 加热

① SiC+ 4KOH + 2O2-----K2SiO3 + K2CO3 + 2H2O

加热

② SiC + 2Na2CO3-----Na2SiO3 + Na2O + 2CO + C 应用:工业上SiC常用做磨料和制造砂轮或磨石的磨檫表面。

SiC磨料的硬度高,棱角锋利,但性脆,抗张强度小,宜用来磨脆性材料。

常用的SiC磨料有两种不同的晶体,一种是绿SiC,含SiC 97%以上,主要用于磨硬质合金的工具;另一种是黑SiC,有金属光泽,含SiC 95%以上,强度比绿SiC大,但硬度较低,主要用于磨铸铁和非金属材料。

二、氮化硼(BN)BN是白色耐高温的物质,不溶于水,可以由

熔融

B2O3 + NH4Cl--------BN + HCl + H2O 也可B在NH3 中燃烧而制得,BN有两种晶体结构,一种与金刚石相似,另一种与石墨相似,这是由于(BN)n与单质碳(C2)n是等电子体,因此人们根据许多感性知识总结出一条经验规律: 具有相同电子数(全部电子数或价电子数)和相同原子数(H，He，Li除外)的分子或离子，它们的电子式和原子的排列方式相似，性质也相似。这条规律叫做等电子原理。

由于B比C少一个电子，而N比C多一个电子，BN与单质碳电子数和原子数都相等，应该有相似的晶体结构。

通常制得的BN是石墨型的，俗称白色石墨，它是比石墨更耐高温的固体润滑剂。

和石墨转变为金刚石的原理相似，石墨型BN在高温（1800℃）、高压（800 Mpa）下可转变为金刚石型BN。

这种BN中B-N键长（0.156 nm）与金刚石中C-C键长（0.154 nm）相似，密度也和金刚石相近，它的硬度和金刚石不相上下，而耐热性比金刚石好，所以是新型耐高温的超硬材料，用来制作钻头，磨具和切割工具。

三、刚 玉

刚玉是自然界中以结晶状态存在的氧化铝，它的硬度很高，仅次于金刚石和金刚砂。

人工高温烧结的氧化铝称为人造刚玉。刚玉也是常用的磨料，其抗弯强度较大，韧性较好，但硬度较低，适用于磨削抗张强度大和有韧性的材料如碳钢、合金刚等。

刚玉中含有少量其他氧化物质，能呈现不同的颜色。例如，含有少量的Cr2O3时，形成红宝石，含有少量铁和钛的氧化物时，得到蓝宝石。

现在可以用人工方法合成各种宝石，人造宝石常用作机器、仪表中轴承和手表中的钻石。

四、硬质合金

第Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ副族金属和C、N、B等形成的化合物，硬度和熔点等特别高，统称为硬质合金。

下面以碳化物为重点来说明硬质合金的结构、特性和应用。

碳与电负性比碳小的元素形成的二元化合物，除碳氢化合物外，都叫做碳化物。

碳化物有三种类型：

一类是碳和活泼金属形成的碳化物，例如CaC2是离子型碳化物，能和水或稀酸作用，生成碳氢化合物。

CaC2 + 2H2O = C2H2 + Ca（OH）2 CaC2 + 2HCl = C2H2 + CaCl2 第二类是碳和非金属元素硅或硼形成的碳化物，它们是共价型碳化物，在固态时属于原子晶体。

第三类是碳和第Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ副族金属形成的金属型碳化物。

这些过渡金属电负性不太小，不能与碳以离子键或共价键形成结合，但碳原子半径小，可溶于这些过渡金属形成间充固溶体。

在适宜条件下，当碳含量超过溶解度极限时，可出现一种突变，形成间充化合物，使原金属晶格转变为另一种形式的金属晶格，如Fe3C、WC等。

这类金属型碳化物的共同特点是具有金属光泽，能导电传热，硬度大，熔点高，但脆性也大。从几何学方面考虑，要形成简单结构的间充化合物，间充原子和金属原子的半径比必须小于0.59。

C的原子半径为0.077 nm。金属原子的半径应大于0.130 nm。

Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W等都大于0.130 nm，其碳化物的晶体结构与原金属相似。

Cr、Mn、Fe、Co、Ni等原子半径小于0.130 nm，晶格中空隙较小，形成碳化物时，使金属晶格发生较显著的变化，形成复杂结构的间充化合物。这些碳化物的化学键在不同程度上表现出向离子键过渡，因而具有一些接近离子型碳化物的性质。例如，Fe3C的硬度和熔点要低于TiC、WC等，化学稳定性也较差，和稀酸作用生成CH4和H2。

Fe3C + 6HCl= 3FeCl2 + CH4 + H2

与离子型化合物或共价形化合物不同，间充化合物的化学式是不符合正常化合价规则的，间充化合物本身还能溶解其它的组成元素而形成以间充化合物为溶剂的固溶体，其成分可以在一定范围内变化。

同一周期的过渡元素，由第Ⅳ副族开始，从左至右形成的碳化物稳定性依次降低。

例如，第4周期元素中，Ti、V能形成很稳定的碳化物,Cr、Mn、Fe的碳化物稳定性较差，Co、Ni的碳化物就不大稳定，Cu则不能形成碳化物。

这是因为形成金属碳化物的实质是碳原子的价电子进入过渡元素次外层d亚层的空轨道上，金属原子次外层d亚层上电子数越少（d亚层的空轨道越多）该金属和碳结合力就越强，这种碳化物的稳定性也就越高。从原子结构来看，同周期中由第Ⅳ副族开始，从左至右，次外层d亚层的电子数逐渐增加，形成的碳化物稳定性便依次降低。

金属型碳化物是许多合金钢中的重要组成部分，对合金钢的性能有较大影响。例如，一般工具钢当温度达到300℃以上时，硬度显著降低，使切割过程不能进行；但含W 18%，Cr 4%，V 1%的高速钢制成的刀具有较高的红硬性，当温度接近600℃时，仍能保持足够的硬度和耐磨性，因此可在较高的切割速度下进行切割，并提高了刀具的寿命。

这主要是由于高速钢中含有大量W、Cr、V的碳化物。

碳化钛具有高熔点，高硬度，抗高温氧化，密度小和价廉等优点，是一种非常重要的金属型碳化物，并得到了广泛的应用。

除碳原子外，周期表中与碳相邻的氮N原子和硼B原子也能进入金属晶格的空隙中形成间充型碳化物相似的性质：能导电、传热、熔点高、硬度大。

由于N原子半径（0.075 nm）比C原子半径（0.077 nm）还略小些，不仅Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W等能和N形成晶体结构与原金属相似的间充化合物，就是Cr、Mn、Fe、Co、Ni也能和N形成晶体结构与原金属相似的间充化合物，但Mn、Fe、Co、Ni等氮化物的晶格已发生某种程度的变形。

渗氮

B原子半径（0.082 nm）比C原子半径略大，所以硼化物的晶体结构就比较复杂。

常用的硬质合金可分为两大类：

一类是钨钴硬质合金：例如，YG6 是含WC 94%，Co 6%的硬质合金，其中Co起粘合剂的作用，钴含量越高，韧性越好，能抗冲击，但硬度和耐热性降低。

另一类是钨钴钛硬质合金：例如YT14是含WC 78%、TiC 14%、Co 8%的硬质合金，加入Ti能提高合金的红硬性，在1000～1100℃时还能保持其硬度。硬质合金刀具的切削速度可比高速钢刀具提高4～7倍，所以硬质合金是制造高速切削和钻探等工具主要部分的优良材料。

钢铁制件在化学热处理过程中，使碳、氮或硼等渗入低碳钢的表面，能在钢的表层生成具有高硬度和耐磨性的碳化物，氮化物或硼化物，而钢的内部仍保持塑性和韧性。

近年来制成一种新型工具材料--钢结硬质合金。它是以TiC、WC等碳化物为硬质材料，用铬钼钢或高速钢作“粘合剂”而制成的。它兼有硬质合金和钢的性能，既有一般合金钢的可加工、热处理、焊接的性能，又有硬质合金的高硬度、高耐磨性等优点，克服了工具钢不耐磨和硬质合金难加工的缺点，而且成本较低，是很有发展前途的材料。另外，通过气相沉积的方法在合金钢表面涂一薄层耐磨的TiC或TiN涂层以形成涂层硬质合金，它也兼有硬质合金和钢的性能。

第二节 耐高温材料

一、耐热合金

耐热合金用作各种热机和化工装置的高温部件，是提高这类机械性能和效率不可缺少的材料。

耐热合金应具备以下的性能：

1、在高温条件下，仍有较好的机械性能。

2、组织的稳定性：在高温条件下，不会由于相变而引起韧性或断裂强度降低。

3、耐高温腐蚀、高温时能抵抗周围介质中氧气、硫和其他杂质的腐蚀。

第Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ副族元素是高熔点金属。因为这些元素原子中未成对的价电子数很多，在金属晶体中形成了坚强的化学键，而且它的原子半径较小，晶格结点上粒子间的距离短，相互作用力大，所以熔点高，硬度大。

耐热合金主要是Ⅴ～Ⅶ副族元素和第Ⅷ族元素形成的合金。按化学成分可分为铁基合金、镍基合金、钴基合金和铬基合金等几种类型。

耐热合金钢是以铁为主要成分的铁基合金，耐热合金钢中含有一定量铬，因为铬易形成具有保护性的氧化物，可提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性。一般随着铬含量的增多，耐热钢的耐高温腐蚀性相应提高。耐热钢中加入适量的Mo（0.2～2.0%）,对增加蠕变强度是很有效的。

近年来,随着科学技术和工农业生产的发展,对耐热合金的要求越来越高,希望提高使用温度,延长在高温下使用的时间,并减轻质量,因此逐渐从镍铁基合金代替铁基合金。

镍铁基合金含有Ni25～60%和Fe15～60%，还含有Cr、Mo、W、Ti、Nb等元素，增加了高温强度。

在大多数镍铁基耐热合金中，Ni和Fe含量必须保持适当比例，这会影响合金的成本和有效的使用温度范围。

一般来说，Ni含量高则使用温度高，稳定性也得到改善，但成本较高。

二、耐火材料

耐火材料是指能耐1580℃以上的高温，并在高温下能耐气体，熔融金属，熔融炉渣等物质侵蚀，而且有一定机械强度的无机非金属材料。耐火度是材料受热软化时的温度，它是耐火材料的重要性能之一。

常用的耐火材料是一些高熔点的氧化物、碳化物和氮化物。

按耐火度的高低，可分为：

普通耐火材料 耐火度为 1580～1770℃

高级耐火材料 1770～2000℃

特级耐火材料 >2000℃ 按化学性质可分为：酸性耐火材料、碱性耐火材料和中性耐火材料，此外还有碳质耐火材料。

1、酸性耐火材料: 主要成份是一些高熔点的酸性氧化物。

例如SiO2(mp1610℃)能耐酸性物质的侵蚀,但在高温下易和碱性氧化物,熔融的碱或Na2 CO3 发生发应而受到侵蚀。

SiO2 + CaO = CaSiO3 SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O SiO2 + Na2CO3 = Na2SiO3 + CO2↑ 常用的酸性耐火材料有

硅酸 SiO2 >93% 耐火度1670～1710℃ 半硅酸 SiO2 >65% Al2O320～30% 1650～1710℃ 粘土砖 SiO2 50～60% 弱酸性 1650～1710℃

Al2O3 30～48%

2、碱性耐火材料，主要成分是一些高熔点的碱性氧化物。

例如MgO(mp2802℃),CaO(mp2587℃)能耐碱性物质的侵蚀，但在高温下易受酸性物质的侵蚀： MgO + SiO2 = MgSiO3 CaO + SiO2 = CaSiO3

常用的碱性耐火材料有

镁砖 MgO >87%（镁砂）耐火度2000℃

铬镁砖 MgO >30-70% Cr2O3>10-30%

3、中性耐火材料：

主要成分是Al2O3(mp2027℃)，Cr2O3(mp2265℃)等两性氧化物，它们在高温条件下显得十分稳定，既不易和酸性氧化物作用，也不易和碱性氧化物作用，因而抗酸碱侵蚀的性能较好。

常用的中性耐火材料有高铝砖

Al2O3>48% 1750-1790℃

刚玉砖 Al2O3>48% 1840-1850℃ 价格较贵 Si3N4

4、碳质耐火材料，主要成分为石墨，碳化硅等。SiC硅>2000℃ 中性 用作小电炉的盖子

石墨砖，中性>3500℃ 在高温下抗氧化性能较差

高熔点氧化物的绝热性良好，很多保温材料（绝热材料）的主要成分就是MgO，Al2O3、SiO2等氧化物。

例如，硅藻土（非晶体SiO2）、石棉（主要成分为CaO、3MgO、4SiO2）等，这些材料密度较小，内部有很多小气孔，易吸附空气，是很好的绝热体。

此外，耐火混凝土也是常用的一种耐火材料，它是用一定量的粒状耐火材料加入胶粘物质（如水玻璃、粘土、磷酸等）和水配成的混合物，由于具有很强的粘合性，且在高温下可烧结成致密、坚固的硬块，常用作砌炉时的粘合剂。

三、金属陶瓷

有一种陶瓷刀具是用微细的Al2O3和10%粘合剂的混合物在不活泼气氛（如稀有气体、N2等不易与其他物质发生化学作用的气体）中，于高温下烧结制成的。它的优点是高温硬度较高，到1100℃时仍保持高硬度。其抗弯程度在低温下虽较差，但随温度升高抗弯强度降低较少，因而对高速切削很有利。

近年来随着火箭、人造卫星及原子能等尖端技术的发展，对耐高温材料提出了新的要求，希望能在高温时有很高的硬度、强度，经得起激烈的机械震动和温度变化，又有耐氧化腐蚀、高绝缘等性能。无论高熔点金属或陶瓷都很难同时满足这些要求。

金属易导电，传热，在高温时易氧化；陶瓷强度，韧性较差，在机械震动下脆裂，金属陶瓷是陶瓷相和粘结金属相所组成的非均质的复合材料。

陶瓷相是Al2O3，ZrO2 等耐高温氧化物，有时采用几种固熔体；

粘结金属相是某些耐高温金属如Cr、Mo、W、Ti等。将他们研细，混合均匀，加工成型后在不活泼气氛中再烧结，就制得金属陶瓷。它兼有金属和陶瓷的优点，密度较小，硬度较大，耐磨，导热性较好，不会由于骤冷骤热而脆裂。另外，在金属表面加涂一层气密性很好的陶瓷涂层，也能防止金属或合金在高温下氧化或腐蚀，涂层的成分主要是ZrO2、TiO2、Al2O3、SiO2等。

火箭、导弹和超音速飞机的外壳、燃烧室和尾喷口等处的温度往往高达几千度，没有一种金属或合金能长期承受这样的高温，因此必须通过绝热的办法，使这些部位的金属部件保持较低的温度。为此，利用熔点高，传热性小的陶瓷材料（如氧化铝、氧化锆和氧化镁），使之在金属表面上形成具有无数小孔的涂层，由于小孔内吸附空气，因此具有很高的绝热性能。

四、碳纤维

碳纤维是一种由碳元素组成的，结构象人造丝，合成纤维一样的纤维状材料，它是一种强度比钢大，密度比铝小的新颖材料。

碳纤维有很多宝贵的电学、热学和力学性能，在现代科学技术、现代工业和现代国防的发展中起着重要的作用。

碳纤维目前还不能直接从炭或石墨抽丝制造，它是将有机纤维（如尼龙、丙纶或人造棉等）放在惰性气体中，在保持原纤维形状的情况下烧制而成的。

有机化合物主要有C、H、O、S、N等元素组成，在缺氧的情况下加热时，其中除C以外的元素都分解逸出，制得只含碳元素的材料，所以，合成纤维或人造纤维在隔绝氧的条件下加热，就可转变成碳纤维。

碳纤维的种类很多，由于采用的原料和制造工艺的不同，制得的碳纤维性能也不同。

按制造工艺，碳纤维可分为碳纤维和石墨纤维。有机纤维在2000℃以下碳化而制得的纤维称碳纤维。这类纤维由于处理温度较低，成本较低，含碳量也较低，约为75-95%，晶体结构没有变成石墨型，属于无定形碳，因此称碳纤维。有机纤维在2000℃以上的高温下碳化而制得的纤维称为石墨纤维，其含碳量很高，约为98-99%，晶体结构与石墨相似。按性能的不同碳纤维还可分为普通碳纤维和高弹性模量、高强度碳纤维。

有机纤维在不加张力的情况下，碳化制得的是普通碳纤维。这类纤维的制造成本较低，但是强度和弹性模量不高，只能用于高温电路的保温材料及一般的防腐蚀材料。

有机纤维在受热过程中都要产生收缩，扰乱和破坏了纤维内部分子整齐有序的排列，这样制得的碳纤维弹性模量和强度都不高。

若在制造过程中，一面加热，一面施加张力，使纤维不产生收缩，保证纤维内部分子趋向于整齐有序的排列，这样制得的碳纤维弹性模量和强度都很高，称为高弹性模量、高强度碳纤维。制造过程中的温度越高，生成的碳纤维弹性模量也越高。

弹性模量是表示材料受力后产生变形大小的一个力学性能指标。材料受力后产生的变形越大，说明它抵抗变形的能力越差，弹性模量越低。

弹性模量越高的材料越能承受大的外力。强度是表示在外力作用下，材料抵抗断裂破坏能力大小的力学性能指标。使材料断裂破坏时需要的力越大，强度就越高。

在现代工业技术应用中往往要求材料既坚固耐用又轻巧，这样就要考虑单位质量材料的弹性模量和强度。

把弹性模量和抗性强度分别除以密度所得的值称为比弹性模量和比强度。

碳纤维的比强度是钢铁的16倍，铝合金的12倍。比弹性模量也较钢铁或铝合金大4-5倍。由于碳纤维的比强度和比弹性模量特别高，所以要求减轻自重的物体如飞机、宇宙航行器，船舶等机械设备就有更大的意义。

碳纤维能耐低温，在-180℃的低温下，许多材料变得很脆。甚至钢铁比室温时玻璃更易破碎，而石墨纤维材料却依旧柔顺。

碳纤维也耐高温，在3000-4000℃高温下，在没有氧气存在的情况下，性能依旧不变。一般材料的强度随温度升高要大幅度降低，碳纤维材料是唯一的在高温下随温度升高而强度增大的材料。

碳纤维虽有不少优异性能，但也存在一些缺点，一个缺点就是抗氧化性差，另一个缺点是在断裂破坏之前没有明显的征兆。

把碳纤维埋在磨到一定细度的硅粉中，在惰性气氛中加热到硅的熔点，表面就生成碳化硅涂层，碳化硅是高温下抗氧化性能最好的材料之一，这样可大大改善碳纤维的抗氧化性。

把高强度纤维材料和一些可塑性好，整体性强的基体材料结合在一起形成了复合材料。常用的基体材料有金属、塑料、陶瓷、水泥等。

碳纤维和基体材料制成的复合材料中，碳纤维不仅起到钢骨水泥中钢筋那样的增强作用，而且因为碳纤维被基体材料包裹住，克服了高温下易被氧化的缺点，充分发挥了碳纤维的耐高温特性。

碳纳米管

第五篇：耐高温隔热保温涂料不断改进创新

耐高温隔热保温涂料不断改进创新

耐高温隔热保温涂料特点，水性无机绝热涂料，采用志盛威华特制的高温溶液并选用纳米陶瓷空心微珠、硅铝纤维等为无机原料精加工而成，耐温幅度在-80—1800℃，涂层导热系数只有0.03W/m.K（70℃测），ZS-1耐高温隔热保温涂料能有效抑制并屏蔽红外线的辐射热和热量的传导热，隔热保温抑制效率可达90%左右，可抑制高温物体的热辐射和热量的传导散失，对物体内部热量可保持70%以上的不散失，对低温物体可有效保冷并能抑制环境辐射热而引起的冷量损失，可防止物体冷凝发生。ZS-1耐高温隔热保温涂料还有隔音降噪、防火阻燃、耐磨耐压、绝缘抗击穿、耐酸碱、重量轻、施工方便、使用寿命长等特点。高性能的应用体现，新技术新材料的应用，耐高温隔热保温涂料今后还将有重大改进，导热系数还会下降到0.025W/m.K以下，使用其他性能也会达到最满意的要求。这一切都是以北京志盛威华公司遵循“创新-质量-信誉-品牌”这一主线，“发展涂料技术、创造高端自主品牌”，不断持续创新发展公司策略。北京志盛威华化工有限公司实行以“科技带动企业发展”的经营战略，公司现有科研技术人员28名，全部具有中级以上职称，硕士以上学历和高级工程师以上职称的专业技术人员占到62%。公司并在2003年投资建立技术科研中心，配有先进实验设备和检测设备。耐高温保温隔热涂料技术位于世界前列，涂料是一种高性能热阻隔复合型陶瓷隔热保温材料，军用高科技绝热涂层转为民用的一种多功能隔热保温涂料，采用国际上最新技术一体化隔热保温涂料成套生产设备，提高了隔热保温涂料的内在品质和各技术指标稳定性，大大提高工业设备节能率、降低能耗效果显着，在某些设备上使用，可以提高工业生产工艺状况，整体提升工业设备的质量，性能指标优异等。