冰火兩重天，同樣是極限材料，為何大家更關注耐高溫而非耐低溫呢？ .
文章來源：賢集網 更新時間：2024-08-26 14:26:37
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在材料科學的廣闊天地中，溫度的兩極 —— 高溫與低溫，如同兩個強大的對手，不斷挑戰著材料的性能極限。從數千度的高溫到逼近絕對零度的嚴寒，不同的溫度環境對材料提出了截然不同的要求。在這場冷熱之間的較量中，人們對耐高溫材料的關注似乎遠高于耐低溫材料。這背后究竟有著怎樣的原因？讓我們一同深入探索材料世界中高溫與低溫的奧秘。 一、溫度兩極的挑戰：冷熱的極限對決 高溫的極限，雖在實際應用中難以企及宇宙大爆炸時的超高溫度，但在眾多領域，數千度甚至更高的溫度卻并不罕見。而低溫的極限，絕對零度，即 -273.15℃，代表著一種極致的寒冷。在這兩個溫度的極端之間，材料需要具備特殊的性能才能適應不同的環境。 二、低溫的探索：接近絕對零度的艱難前行 聚酰亞胺在耐低溫材料中獨樹一幟。它能夠承受低至 -269℃的溫度，即使在液態氦中也不會脆裂，同時還展現出一定的耐高溫能力。液態氦的沸點溫度僅為 4.22K（開爾文）或 -268.93℃，聚酰亞胺在這樣的極寒環境下依然保持穩定，為低溫領域的應用提供了可靠的選擇。在科學研究的低溫實驗以及航天領域的特殊設備中，聚酰亞胺發揮著重要作用。 玻璃化轉變溫度是彈性體在低溫環境中的關鍵參數。它標志著非晶態固體材料從固體狀態向類似液體的柔軟狀態轉變的溫度點。不同的彈性體具有不同的玻璃化轉變溫度，這決定了它們在低溫下的性能表現。 在耐低溫彈性體中，乙基硅膠以其可達 -130℃左右的玻璃化轉變溫度而備受關注，盡管價格較高，但在對低溫性能要求苛刻的領域有其應用價值。工程塑料在耐低溫性能方面相對彈性體具有一定優勢，而彈性體不僅要在低溫下不脆裂，還需保持彈性，這使得其設計難度更大，常常需要考慮外加保護或優化結構。 三、高溫的需求：廣泛而關鍵的應用領域 航空航天領域是耐高溫材料的重要應用場景。飛行器在高速飛行過程中與空氣劇烈摩擦，會產生極高的溫度。例如，火箭發動機燃燒室、渦輪葉片等部件的工作溫度可達數千度甚至更高。耐高溫材料對于保證這些部件的結構穩定性和安全性至關重要，是確保飛行器正常運行和飛行安全的關鍵因素。 燃氣輪機、核電站等能源設備在運行過程中同樣會產生高溫。燃氣輪機的工作溫度通常在 1000℃以上，核電站的反應堆內部溫度也極高。耐高溫材料在這些設備的關鍵部件中發揮著重要作用，能夠保障設備的穩定運行和能量轉化效率。 在冶金、化工、玻璃制造等工業領域，許多生產過程都涉及高溫環境。鋼鐵冶煉中的高爐、煉鋼爐溫度高達數千度，化工生產中的高溫反應爐溫度也非常高。耐高溫材料用于制造爐體、管道、容器等設備，能夠承受高溫侵蝕，保證生產的正常進行和設備的使用壽命。 四、為何人們更關注耐高溫材料 耐高溫材料在航空航天、能源、工業生產等多個領域都有著廣泛的應用需求。相比之下，耐低溫材料的應用領域相對較窄。在航空航天領域，飛行器的高速飛行和重返大氣層時會面臨極高的溫度，需要耐高溫材料來保護宇航員和設備的安全。在能源領域，燃氣輪機、核電站等設備的高溫運行環境也離不開耐高溫材料。而在工業生產中，高溫環境下的生產過程對耐高溫材料的需求更是不可或缺。 高溫對材料性能的影響非常大，挑戰也更為嚴峻。高溫會使材料發生氧化、熱降解、化學降解等反應，導致材料的強度、硬度、韌性等性能下降，還可能使材料變脆、變軟，影響其正常使用。普通金屬材料在高溫下容易氧化生銹，強度降低；塑料材料在高溫下可能軟化、變形甚至熔化。此外，高溫還會使材料產生熱膨脹，若材料的熱膨脹系數較大，在高溫環境中可能會因尺寸變化過大而無法正常工作，或者與其他部件的配合出現問題。 提升耐高溫性能的難度較大，需要選擇具有耐高溫特性的元素和化合物，并通過合理的材料設計和結構優化來實現。例如，開發新型高溫合金需要精確控制合金中各元素的比例和添加特殊的合金元素，以形成耐高溫的晶體結構和相組織。耐高溫材料的制備通常需要特殊的工藝和設備，且制備過程中的工藝參數控制非常嚴格。 耐高溫材料的研發具有重要的經濟和戰略價值。它能夠推動航空航天、能源、汽車等高端制造業的發展，提升國家在這些領域的核心競爭力。在國防、航空航天等關鍵領域，耐高溫材料的自主研發和生產能力關系到國家的戰略安全，減少對國外技術和產品的依賴。 五、耐高溫材料研發實例 華南理工大學材料科學與工程學院褚衍輝研究團隊：成功制備了兼具超強力學強度和高隔熱性的高熵多孔硼化物陶瓷材料，該材料還展現出了 2000℃高溫穩定性。相關研究成果刊發于國際期刊《先進材料》。這種新型高熵多孔陶瓷材料的優異性能源于微觀尺度上的超細孔、納米尺度上的強晶間界面結合，以及原子尺度上的嚴重晶格畸變。這三大要素協同作用，使得材料在保持高隔熱性能的同時，展現出超強的力學強度。 杭州吉華高分子材料股份有限公司：取得 “一種高固低黏有機硅改性聚酯樹脂及耐高溫高固體分涂料” 專利，授權公告號 cn114561001b，申請日期為 2021 年 12 月。該有機硅改性聚酯樹脂的原料包括二元醇、二元酸、三元醇、新癸酸縮水甘油酯、有機硅中間體、催化劑、帶水劑、有機溶劑和活性稀釋劑等。最終制得的耐高溫高固體分涂料具有 VOC 排放少、硬度高、耐高溫性好的優點，并且由于在噴涂時固體分高，賦予涂層高豐滿度、高光澤，類似于傳統磁漆的效果，但未提及具體的性能數據。 康命源（貴州）科技發展有限公司：取得 “一種耐高溫聚乙烯排污管材” 專利，授權公告號 cn221548087u，申請日期為 2024 年 1 月。該排污管材包括內管和外管，外管表面貫穿連接有若干個散熱片（鋁合金片），內管和外管均為聚乙烯管，散熱片表面開設有散熱槽，散熱片內壁固定連接有絨毛，外管與內管彼此接近的一面固定連接有導熱管（硅膠管）。通過這些結構設計，有效提高了管材的散熱效果，減少了排污管材在高溫天氣下堆放時出現軟化、變形的問題。 常熟市寶灃特種纖維有限公司：取得 “耐高溫阻燃面料及其應用” 專利，授權公告號 cn114261150b，申請日期為 2021 年 12 月。該耐高溫阻燃面料包括表層、中間的隔熱層（無紡布織物氈）以及內層（阻燃面料），中間的隔熱層設置在表層和內層之間，且在中間隔熱層經并經格子的交叉點處與表層縫合。解決了耐高溫阻燃面料的耐高溫和耐水洗性能較低，以及隔熱材料過于厚實而導致緩沖性能下降的技術問題，達到了兼顧優異的阻燃性能、耐高溫性能、較佳的隔熱緩沖性能以及較好的耐水洗性能的技術效果，但未明確具體的性能參數。 西北工業大學：研發出超高溫合金材料，可承受 2400 度高溫，其在高溫范圍內堅固程度變化性小，抗氧化能力強。這種超高溫合金材料中首次使用了一種全新的鈮合金金屬，鈮元素本身具有耐高溫特性，經過和特殊金屬加工融合形成鈮合金，熔點能夠高達 2400 多攝氏度，且耐腐蝕程度明顯，在超過千余度高溫的環境中工作也具有極強的穩定性。 天津大學材料學院何春年團隊：研發出新型氧化物彌散強化鋁合金，將鋁合金的服役溫度從 350℃提高至 500℃。研制的新型鋁合金在 500℃的拉伸強度（200 兆帕）相比傳統鋁合金提高了 6 倍以上，高溫穩定性提高了幾個數量級。 六、耐低溫材料的發展 耐低溫橡膠材料：揚州高新橡塑有限公司與青島科技大學合作研發耐低溫高強氫化丁腈橡膠密封材料，采用乳液加氫法，使材料在保持耐油性的同時，具有優良的耐熱性、耐寒性、耐臭氧性、耐化學藥品性和機械強度，可用于鐵路、輕軌、機場、船舶、橋梁等領域的機械裝備關鍵基礎配件。 耐低溫塑料材料：金發科技股份有限公司申請的 “一種包膠樹脂的耐低溫 TPE 材料、包膠制品及其制備方法和應用” 專利，該材料在低溫下仍具有較低的硬度以及優異的粘接性能，且從常溫到低溫下邵氏硬度和粘接性能變化較小，體現了優異的耐溫度變化能力。 耐低溫合金材料：俄羅斯別爾哥羅德國立研究大學科學家研制出一種基于鐵、鈷、鎳、鉻和碳的合金，在零下 150 攝氏度及更低溫度下依然具有出色性能，在零下 196 攝氏度的液氮溫度下，其強度比最好的同類產品高一倍半，并具有 24% 的出色延展性，可用于極低溫環境探索。 耐低溫復合材料：碳纖維復合材料在低溫工程技術中受到關注，如采用 RTM 工藝制備的碳 / 環氧復合材料，通過選用不同韌性等級的 RTM 環氧樹脂和不同種類的碳纖維織物，可滿足超低溫環境（-150℃以下）對材料韌性的要求。 七、冷熱材料的未來展望 雖然目前人們對耐高溫材料的關注更多，但耐低溫材料在一些特定領域也有著不可替代的作用。隨著科技的不斷進步，對材料性能的要求也將越來越高。未來，無論是耐高溫材料還是耐低溫材料，都將面臨更多的挑戰和機遇。 在耐高溫材料方面，需要不斷突破技術瓶頸，提高材料的耐高溫性能、穩定性和可靠性，以滿足航空航天、能源等領域日益增長的需求。同時，也要注重材料的環保性和可持續性，開發綠色耐高溫材料。 對于耐低溫材料，需要進一步提高其在極低溫環境下的性能，如彈性、強度、耐腐蝕性等。同時，拓展耐低溫材料的應用領域，使其在更多的領域發揮作用。 總之，耐高溫材料和耐低溫材料都是材料科學領域的重要組成部分，它們的發展將為人類的科技進步和社會發展做出更大的貢獻。 在冷熱之間的材料探索中，我們將繼續前行，不斷開拓創新，為創造更加美好的未來而努力。 原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_555852.html 來源：賢集網 著作權歸作者所有。商業轉載請聯系作者獲得授權，非商業轉載請注明出處。 |
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