非金属材料耐高温性能的测试与评价方法研究

引言

在航空航天、能源化工、新能源汽车等关键领域，非金属材料的耐高温性能是保障装备可靠运行的核心指标。航空发动机陶瓷部件需耐受 1600^∘C 瞬时高温，动力电池隔热层需抵御 800% 以上火灾侵袭，其性能失效可能引发机毁、爆炸等重大事故。系统梳理现有测试技术，整合多维度评价指标，构建适配复杂场景的综合体系，可以为耐高温材料选型、改性及安全应用提供科学支撑，推动相关产业技术升级。

1. 非金属材料耐高温性能测试与评价的重要性

1.1 保障极端环境下装备运行安全

在航空航天、核能等领域，非金属材料的耐高温失效可能引发连锁事故：航空发动机陶瓷密封件若在 1200^c 以上出现热变形，会导致燃气泄漏；核反应堆绝缘材料热老化失效可能引发短路故障。通过系统测试（如高温力学性能测试、热老化试验），可精准界定材料在临界温度下的性能阈值，提前规避因材料热失稳导致的装备故障，为极端环境下的安全运行提供底线保障。

1.2 支撑材料选型与改性优化的科学决策

不同应用场景对耐高温性能的核心需求差异显著：新能源汽车电池隔热层需侧重短期抗燃性（ 800^cC 火焰下 30 分钟结构稳定），而化工管道涂层需关注长期热稳定性（ 200% 下 5 年性能衰减率 <10% ）。精准的测试与评价可量化材料在不同温度区间的性能表现（如热分解温度、高温强度保留率），为针对性选型提供数据支撑，同时通过分析失效机理（如氧化失重、晶相转变），指导材料改性方向（如添加抗氧化剂、优化分子结构）[1]。

1.3 推动行业标准统一与技术创新迭代

当前不同行业的测试方法割裂（如航天用陶瓷侧重动态热冲击测试，汽车材料侧重静态耐热测试），导致跨领域材料应用存在壁垒。建立标准化的测试评价体系，可实现不同类型材料性能数据的横向可比，加速新型耐高温材料（如碳化硅复合材料、耐高温树脂）的跨行业推广。同时，测试技术的升级（如多因素耦合测试）能倒逼材料研发突破传统性能瓶颈，推动高温环境下非金属材料的技术迭代与产业升级。

2. 非金属材料耐高温性能的测试方法

2.1 热重分析法

通过持续升温（通常 50-1000‰ ）监测材料质量随温度的变化，精准捕捉热分解起始温度、最大失重速率温度等关键指标。适用于聚合物、树脂等有机非金属材料，可量化其热稳定性——如耐高温树脂需在300^∘C 以下失重率 <5% 。测试中同步记录气氛（空气、惰性气体）对失重的影响，能区分材料热分解与氧化失重的差异，为评估高温环境下的降解风险提供数据支撑。

2.2 高温力学性能测试

在设定高温环境（如 200-1500% ）下，通过拉伸、弯曲或压缩试验测定材料的强度、模量及断裂伸长率变化。针对陶瓷基复合材料，需模拟服役时的应力状态，例如测试其在 800°C 拉伸载荷下的蠕变行为；对隔热棉等柔性材料，则侧重高温下的压缩回弹性能。该方法直接关联材料的结构承载能力，是航空发动机叶片、高温管道等部件选型的核心依据。

2.3 差示扫描量热法

通过对比材料与参比物的热量差，分析其吸热/ 放热反应（如熔融、结晶、氧化）。可识别聚合物的玻璃化转变温度（Tg）、陶瓷的相变温度，例如判断耐高温塑料在 150^∘C 是否发生玻璃化转变导致性能突变。结合动态升温与恒温模式，还能评估材料在特定温度下的长期热稳定性，为电子封装材料等需长期耐温的场景提供参考[2]。

2.4 热冲击测试

模拟温度骤变环境（如 -50^∘C 至 800% 快速循环），通过反复冷热冲击后检测材料的开裂、强度衰减或增重/ 失重情况，评估抗热震性能。适用于航天隔热瓦、汽车排气系统密封件等受温度波动影响的材料，例如陶瓷涂层需通过50 次以上热冲击循环且涂层脱落率 <10% 才算达标。该方法弥补了静态高温测试的局限，更贴近实际服役中的极端温度变化场景。

3. 非金属材料耐高温性能评价方法

3.1 性能保留率量化评价

基于测试数据计算高温环境下材料关键性能的保留比例，建立量化评价标准。例如，对陶瓷材料，以常温强度为基准，要求 800^∘C 时抗弯强度保留率 ⩾80% ；对聚合物材料，需评估 200^cC 下拉伸强度衰减率，若1000 小时内衰减 ⩽30% 则判定为合格。该方法通过设定明确阈值（如热重分析中失重率 ⩽5% 、DSC 测试中无明显相变峰），直观反映材料在高温下的性能稳定性，适用于航空航天结构件等对性能指标有刚性要求的场景。

3.2 失效机理溯源评价

结合微观分析技术（如扫描电镜、X 射线衍射），从测试现象追溯高温失效的根本原因。若热冲击测试后材料出现裂纹，通过观察断口形态判断是热应力导致的脆性断裂还是氧化腐蚀引发的界面剥离；对高温蠕变失效的复合材料，分析纤维与基体界面的退化程度。该方法突破单纯性能数据的局限，通过明确“为何失效”（如晶相转变、分子链断裂），为材料改性（如添加抗氧剂、优化界面结合）提供靶向指导[3]。

3.3 多因素耦合场景评价

模拟实际服役中的复合环境（如高温 + 腐蚀介质、高温 + 机械应力），综合评估材料耐受能力。例如，评价化工管道用树脂涂层时，需在 150^∘C 酸性蒸汽环境下测试其耐蚀性与附着力，要求 500 小时后涂层无鼓泡且附着力保留率 ⩾70% ；对制动摩擦材料，需在 300^∘C 摩擦应力下测试其磨损率与摩擦系数稳定性。该方法避免单一高温测试的局限性，更贴近工程应用的真实条件[4]。

3.4 服役寿命预测评价

基于加速老化试验数据（如不同温度下的热失重曲线、力学性能衰减规律），建立寿命预测模型（如 Arrhenius 方程）。例如，通过50% 、 100^∘C 、 150^qC 下的老化数据，外推聚合物材料在 80% 下的使用寿命；对陶瓷隔热材料，根据热循环后的强度退化速率，预测其在发动机舱内的服役周期。该方法将短期测试结果与长期使用需求关联，为装备维护更换提供科学依据，降低因材料失效导致的风险[5]。

总结

综上所述，本文系统梳理了热重分析、高温力学测试等非金属材料耐高温性能测试方法，及性能保留率、失效机理等评价路径。这些方法为材料选型与改性提供了科学依据，但多因素耦合场景的动态评价仍需深化。未来可结合服役环境构建精准预测模型，助力极端条件下非金属材料的安全应用与技术突破。

参考文献

[1] 王倩倩 ， 周燕萍 ， 郑会保 ， 等 . 耐高温聚酰亚胺树脂及其复合材料的研究及应用 [J]. 工程塑料应用 ，2019，47（8）：48-50.

[2] 杨智伟. 三维碳毡/ 水泥复合材料耐高温及摩擦性能研究[D].兰州交通大学 ，2017.

[3] 吴仲孝 ， 洪宁宁 ， 高磊 . 无卤耐高温低介电常数材料及应用研究进展 [J]. 电线电缆 ，2024，67（3）：11-17.

[4] 陈俊国 ， 方倩 ， 程连文 ， 等 . 高温高压复合密封材料研究及应用 [J]. 材料开发与应用 ，2015，30（6）：35-37.

[5] 潘永忠 . 环境友好型耐火材料发展探讨 [J]. 2021.（8）：32-34.

作者简介：刘雷雷（1989.12-），男，汉，陕西渭南人，高级工程师，本科，研究方向： 金属材料化学成分分析检测；

王思睿（1991.07-），女，汉，黑龙江省巴彦县人，工程师，本科，研究方向：化学分析。