冰火两重天，同样是极限材料，为何大家更关注耐高温而非耐低温呢？ .-山东化工网

冰火两重天，同样是极限材料，为何大家更关注耐高温而非耐低温呢？ .

文章来源：贤集网更新时间：2024-08-26 14:26:37

在材料科学的广阔天地中，温度的两极 —— 高温与低温，如同两个强大的对手，不断挑战着材料的性能极限。从数千度的高温到逼近绝对零度的严寒，不同的温度环境对材料提出了截然不同的要求。在这场冷热之间的较量中，人们对耐高温材料的关注似乎远高于耐低温材料。这背后究竟有着怎样的原因？让我们一同深入探索材料世界中高温与低温的奥秘。

一、温度两极的挑战：冷热的极限对决

高温的极限，虽在实际应用中难以企及宇宙大爆炸时的超高温度，但在众多领域，数千度甚至更高的温度却并不罕见。而低温的极限，绝对零度，即 -273.15℃，代表着一种极致的寒冷。在这两个温度的极端之间，材料需要具备特殊的性能才能适应不同的环境。

二、低温的探索：接近绝对零度的艰难前行

聚酰亚胺在耐低温材料中独树一帜。它能够承受低至 -269℃的温度，即使在液态氦中也不会脆裂，同时还展现出一定的耐高温能力。液态氦的沸点温度仅为 4.22K（开尔文）或 -268.93℃，聚酰亚胺在这样的极寒环境下依然保持稳定，为低温领域的应用提供了可靠的选择。在科学研究的低温实验以及航天领域的特殊设备中，聚酰亚胺发挥着重要作用。

玻璃化转变温度是弹性体在低温环境中的关键参数。它标志着非晶态固体材料从固体状态向类似液体的柔软状态转变的温度点。不同的弹性体具有不同的玻璃化转变温度，这决定了它们在低温下的性能表现。

在耐低温弹性体中，乙基硅胶以其可达 -130℃左右的玻璃化转变温度而备受关注，尽管价格较高，但在对低温性能要求苛刻的领域有其应用价值。工程塑料在耐低温性能方面相对弹性体具有一定优势，而弹性体不仅要在低温下不脆裂，还需保持弹性，这使得其设计难度更大，常常需要考虑外加保护或优化结构。

三、高温的需求：广泛而关键的应用领域

航空航天领域是耐高温材料的重要应用场景。飞行器在高速飞行过程中与空气剧烈摩擦，会产生极高的温度。例如，火箭发动机燃烧室、涡轮叶片等部件的工作温度可达数千度甚至更高。耐高温材料对于保证这些部件的结构稳定性和安全性至关重要，是确保飞行器正常运行和飞行安全的关键因素。

燃气轮机、核电站等能源设备在运行过程中同样会产生高温。燃气轮机的工作温度通常在 1000℃以上，核电站的反应堆内部温度也极高。耐高温材料在这些设备的关键部件中发挥着重要作用，能够保障设备的稳定运行和能量转化效率。

在冶金、化工、玻璃制造等工业领域，许多生产过程都涉及高温环境。钢铁冶炼中的高炉、炼钢炉温度高达数千度，化工生产中的高温反应炉温度也非常高。耐高温材料用于制造炉体、管道、容器等设备，能够承受高温侵蚀，保证生产的正常进行和设备的使用寿命。

四、为何人们更关注耐高温材料

耐高温材料在航空航天、能源、工业生产等多个领域都有着广泛的应用需求。相比之下，耐低温材料的应用领域相对较窄。在航空航天领域，飞行器的高速飞行和重返大气层时会面临极高的温度，需要耐高温材料来保护宇航员和设备的安全。在能源领域，燃气轮机、核电站等设备的高温运行环境也离不开耐高温材料。而在工业生产中，高温环境下的生产过程对耐高温材料的需求更是不可或缺。

高温对材料性能的影响非常大，挑战也更为严峻。高温会使材料发生氧化、热降解、化学降解等反应，导致材料的强度、硬度、韧性等性能下降，还可能使材料变脆、变软，影响其正常使用。普通金属材料在高温下容易氧化生锈，强度降低；塑料材料在高温下可能软化、变形甚至熔化。此外，高温还会使材料产生热膨胀，若材料的热膨胀系数较大，在高温环境中可能会因尺寸变化过大而无法正常工作，或者与其他部件的配合出现问题。

提升耐高温性能的难度较大，需要选择具有耐高温特性的元素和化合物，并通过合理的材料设计和结构优化来实现。例如，开发新型高温合金需要精确控制合金中各元素的比例和添加特殊的合金元素，以形成耐高温的晶体结构和相组织。耐高温材料的制备通常需要特殊的工艺和设备，且制备过程中的工艺参数控制非常严格。

耐高温材料的研发具有重要的经济和战略价值。它能够推动航空航天、能源、汽车等高端制造业的发展，提升国家在这些领域的核心竞争力。在国防、航空航天等关键领域，耐高温材料的自主研发和生产能力关系到国家的战略安全，减少对国外技术和产品的依赖。

五、耐高温材料研发实例

华南理工大学材料科学与工程学院褚衍辉研究团队：成功制备了兼具超强力学强度和高隔热性的高熵多孔硼化物陶瓷材料，该材料还展现出了 2000℃高温稳定性。相关研究成果刊发于国际期刊《先进材料》。这种新型高熵多孔陶瓷材料的优异性能源于微观尺度上的超细孔、纳米尺度上的强晶间界面结合，以及原子尺度上的严重晶格畸变。这三大要素协同作用，使得材料在保持高隔热性能的同时，展现出超强的力学强度。

杭州吉华高分子材料股份有限公司：取得 “一种高固低黏有机硅改性聚酯树脂及耐高温高固体分涂料” 专利，授权公告号 cn114561001b，申请日期为 2021 年 12 月。该有机硅改性聚酯树脂的原料包括二元醇、二元酸、三元醇、新癸酸缩水甘油酯、有机硅中间体、催化剂、带水剂、有机溶剂和活性稀释剂等。最终制得的耐高温高固体分涂料具有 VOC 排放少、硬度高、耐高温性好的优点，并且由于在喷涂时固体分高，赋予涂层高丰满度、高光泽，类似于传统磁漆的效果，但未提及具体的性能数据。

康命源（贵州）科技发展有限公司：取得 “一种耐高温聚乙烯排污管材” 专利，授权公告号 cn221548087u，申请日期为 2024 年 1 月。该排污管材包括内管和外管，外管表面贯穿连接有若干个散热片（铝合金片），内管和外管均为聚乙烯管，散热片表面开设有散热槽，散热片内壁固定连接有绒毛，外管与内管彼此接近的一面固定连接有导热管（硅胶管）。通过这些结构设计，有效提高了管材的散热效果，减少了排污管材在高温天气下堆放时出现软化、变形的问题。

常熟市宝沣特种纤维有限公司：取得 “耐高温阻燃面料及其应用” 专利，授权公告号 cn114261150b，申请日期为 2021 年 12 月。该耐高温阻燃面料包括表层、中间的隔热层（无纺布织物毡）以及内层（阻燃面料），中间的隔热层设置在表层和内层之间，且在中间隔热层经并经格子的交叉点处与表层缝合。解决了耐高温阻燃面料的耐高温和耐水洗性能较低，以及隔热材料过于厚实而导致缓冲性能下降的技术问题，达到了兼顾优异的阻燃性能、耐高温性能、较佳的隔热缓冲性能以及较好的耐水洗性能的技术效果，但未明确具体的性能参数。

西北工业大学：研发出超高温合金材料，可承受 2400 度高温，其在高温范围内坚固程度变化性小，抗氧化能力强。这种超高温合金材料中首次使用了一种全新的铌合金金属，铌元素本身具有耐高温特性，经过和特殊金属加工融合形成铌合金，熔点能够高达 2400 多摄氏度，且耐腐蚀程度明显，在超过千余度高温的环境中工作也具有极强的稳定性。

天津大学材料学院何春年团队：研发出新型氧化物弥散强化铝合金，将铝合金的服役温度从 350℃提高至 500℃。研制的新型铝合金在 500℃的拉伸强度（200 兆帕）相比传统铝合金提高了 6 倍以上，高温稳定性提高了几个数量级。

六、耐低温材料的发展

耐低温橡胶材料：扬州高新橡塑有限公司与青岛科技大学合作研发耐低温高强氢化丁腈橡胶密封材料，采用乳液加氢法，使材料在保持耐油性的同时，具有优良的耐热性、耐寒性、耐臭氧性、耐化学药品性和机械强度，可用于铁路、轻轨、机场、船舶、桥梁等领域的机械装备关键基础配件。

耐低温塑料材料：金发科技股份有限公司申请的 “一种包胶树脂的耐低温 TPE 材料、包胶制品及其制备方法和应用” 专利，该材料在低温下仍具有较低的硬度以及优异的粘接性能，且从常温到低温下邵氏硬度和粘接性能变化较小，体现了优异的耐温度变化能力。

耐低温合金材料：俄罗斯别尔哥罗德国立研究大学科学家研制出一种基于铁、钴、镍、铬和碳的合金，在零下 150 摄氏度及更低温度下依然具有出色性能，在零下 196 摄氏度的液氮温度下，其强度比最好的同类产品高一倍半，并具有 24% 的出色延展性，可用于极低温环境探索。

耐低温复合材料：碳纤维复合材料在低温工程技术中受到关注，如采用 RTM 工艺制备的碳 / 环氧复合材料，通过选用不同韧性等级的 RTM 环氧树脂和不同种类的碳纤维织物，可满足超低温环境（-150℃以下）对材料韧性的要求。

七、冷热材料的未来展望

虽然目前人们对耐高温材料的关注更多，但耐低温材料在一些特定领域也有着不可替代的作用。随着科技的不断进步，对材料性能的要求也将越来越高。未来，无论是耐高温材料还是耐低温材料，都将面临更多的挑战和机遇。

在耐高温材料方面，需要不断突破技术瓶颈，提高材料的耐高温性能、稳定性和可靠性，以满足航空航天、能源等领域日益增长的需求。同时，也要注重材料的环保性和可持续性，开发绿色耐高温材料。

对于耐低温材料，需要进一步提高其在极低温环境下的性能，如弹性、强度、耐腐蚀性等。同时，拓展耐低温材料的应用领域，使其在更多的领域发挥作用。

总之，耐高温材料和耐低温材料都是材料科学领域的重要组成部分，它们的发展将为人类的科技进步和社会发展做出更大的贡献。

在冷热之间的材料探索中，我们将继续前行，不断开拓创新，为创造更加美好的未来而努力。

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