Чтобы извлечь полезную работу из топлива, его нужно сначала сжечь, чтобы довести жидкость (обычно пар) до высокой температуры. Термодинамика показывает, что чем выше температура, тем выше эффективность преобразования тепла в работу; поэтому разработка материалов для камер сгорания, поршней, клапанов, роторов и лопаток турбин, которые могут работать при все более высоких температурах, имеет критическое значение. КПД первых паровых двигателей составлял менее 1 процента, в то время как современные паровые турбины достигают КПД 35 процентов и более. Частично это улучшение произошло благодаря улучшению конструкции и точности обработки металла, но большая часть — результат использования улучшенных высокотемпературных материалов. Первые двигатели изготавливались из чугуна, а затем из обычных сталей. Позже были разработаны высокотемпературные сплавы, содержащие никель, молибден, хром и кремний, которые не плавились и не разрушались при температуре выше 540° C (1 000° F). Однако современные процессы горения приближаются к предельным температурам, при которых можно использовать металлы, поэтому разрабатываются новые материалы, способные работать при более высоких температурах, в частности, интерметаллические соединения и керамика.
Структурные особенности, ограничивающие использование металлов при высоких температурах, носят как атомный, так и электронный характер. Все материалы содержат дислокации. Самые простые из них возникают в результате того, что плоскости атомов не проходят через весь кристалл, так что там, где заканчивается плоскость, есть линия с меньшим количеством атомов, чем обычно. В металлах внешние электроны могут свободно перемещаться. Это обеспечивает делокализованную когезию, так что при приложении напряжения дислокации могут перемещаться, снимая напряжение. В результате металлы становятся пластичными: их не только легко обрабатывать, придавая им желаемую форму, но и при нагрузке они постепенно пластично деформируются, а не сразу ломаются. Это желательное свойство, но чем выше температура, тем больше пластическое течение под нагрузкой, и если температура слишком высока, материал становится бесполезным. Чтобы обойти эту проблему, изучаются материалы, в которых движение дислокаций заторможено. Керамика, такая как нитрид кремния или карбид кремния, и интерметаллиды, такие как алюминид никеля, перспективны, поскольку электроны, удерживающие их вместе, высоко локализованы в виде валентных или ионных связей. Как будто металлы удерживаются вместе скользким клеем, в то время как в неметаллах атомы соединены жесткими стержнями. Таким образом, дислокациям гораздо труднее двигаться в неметаллах; повышение температуры не приводит к увеличению подвижности дислокаций, а напряжение, необходимое для того, чтобы они поддались, гораздо выше. Кроме того, их точки плавления ниже