超低保溫材料

1、超低溫保溫材料研究背景保溫機(jī)理超低溫工程中的超級保溫材料設(shè)計(jì)010203目錄CONTENTS超低溫保溫材料研究背景超低溫保溫材料研究背景簡介保溫材料： 工程上習(xí)慣把導(dǎo)熱系數(shù)很小的材料稱為保溫材料。保溫材料的結(jié)構(gòu)基本上可分為纖維狀結(jié)構(gòu)、多孔結(jié)構(gòu)、粒狀結(jié)構(gòu)或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)是具有高的空隙率。熱量傳遞包括以下幾種：結(jié)構(gòu)實(shí)體的導(dǎo)熱；穿過微小空隙的導(dǎo)熱與對流（高溫時還有輻射）。超低溫保溫材料研究背景超低溫保溫材料研究背景超低溫保溫材料： 環(huán)境溫度低于-150，一般稱為超低溫。而隨著溫度降低，物質(zhì)會出現(xiàn)超低溫現(xiàn)象，這些現(xiàn)象被廣泛應(yīng)用在鋼鐵工業(yè)、農(nóng)業(yè)、液態(tài)空氣工業(yè)、宇宙航行等方面。隨著生活水平的

2、提高，人們對冷凍的要求也提高了。同時面臨能源危機(jī)的威脅，節(jié)能已經(jīng)成為一個世界性的課題。伴隨著制冷技術(shù)的日益成熟，制冷機(jī)組的效率也日益提高，制冷性能已經(jīng)達(dá)到優(yōu)良。然而在保溫方面，由于保溫材料的滯后，冷量泄露造成的能量損失成為了能量流失的主要方面。因此研究高保溫材料迫在眉睫。超低溫保溫材料研究背景保溫機(jī)理超低溫工程中的超級保溫材料設(shè)計(jì)010203目錄CONTENTS常見保溫材料多孔型保溫材料纖維型保溫材料反射型保溫材料當(dāng)熱量Q從高溫面向低溫面?zhèn)鬟f時，在碰到氣孔前，傳遞過程為固相中的導(dǎo)熱，在碰到氣孔后，一條路線仍然是通過固相傳遞，但其傳熱方向發(fā)生了變化，總的傳熱路線大大增加，熱阻增大，從而使傳遞速度

3、減緩；另一條路線是通過氣孔內(nèi)氣體的傳熱，其中包括高溫固體表面對氣體的輻射和氣體自身的熱對流、氣體的導(dǎo)熱、熱氣體對冷固體表面的輻射及對流傳熱以及熱固體表面和冷固體表面的輻射傳熱。由于在常溫下對流以及輻射的傳熱熱量在總傳熱熱量中占得比例很小，故以氣孔中的氣體的導(dǎo)熱為主，但由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.029W(M K)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于固體的導(dǎo)熱系數(shù)，故熱量通過氣孔傳遞的阻力較大，從而傳熱速度大大減緩。這就是含有大量氣孔材料能起到保溫隔熱作用的原因。纖維型保溫材料的保溫機(jī)理基本上與多孔型保溫材料類似，如圖溫度梯度與纖維方向相垂直時，材料保溫性能比兩者相平行時好。當(dāng)外來的熱輻射能量投射到物體（不透明）上時，通常

4、會將其中一部分能量反射掉，另一部分能量被吸收掉。根據(jù)能量守恒定律，凡善于反射的材料，吸收熱輻射的能力就?。环粗绻漳芰?qiáng)，則其反射率就小。故利用某些材料對熱輻射的反射作用，如鋁箔的反射率為0.95，在需要保溫隔熱的部位貼上這種材料，可以將絕大部分外來熱輻射反射掉，起到隔熱作用。IOIIB主要影響因素材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)、組成和聚集狀態(tài)材料的容積重量濕度溫度熱流方向材料的分子結(jié)構(gòu)不同，其導(dǎo)熱系數(shù)有很大的差別，通常結(jié)晶構(gòu)造的材料導(dǎo)熱系數(shù)最大，微晶體構(gòu)造的次之，玻璃體構(gòu)造的導(dǎo)熱系數(shù)最小。材料中有機(jī)物組分增加，其導(dǎo)熱系數(shù)降低。對于多孔保溫材料來說，無論固體部分的結(jié)構(gòu)是晶體的還是玻璃體的，對導(dǎo)熱系數(shù)影響

5、都不大。因?yàn)檫@些材料的孔隙率很高，顆?；蚶w維之間充滿空氣，此時，氣體的導(dǎo)熱其主要作用，固體部分的影響也就減少了。因此，為了獲得導(dǎo)熱系數(shù)較低的材料，可通過改變其分子結(jié)構(gòu)的辦法：如將熔融的高爐礦渣通過不同的冷卻速度，可形成分子結(jié)構(gòu)個不相同的材料，其中通過聚冷所得到的高爐膨脹渣珠具有玻璃體構(gòu)造的分子結(jié)構(gòu)，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.2W/（mk），是一種較好的保溫隔熱材料。由于材料中固體物質(zhì)的導(dǎo)熱能力比空氣大得多，故孔隙率較高、容積重量較小的材料，其導(dǎo)熱系數(shù)也越小。材料的導(dǎo)熱系數(shù)不僅與材料的孔隙率有關(guān)，而且還與孔隙率的大小和特征有關(guān)。在孔隙率相同的條件下，孔隙尺寸越大，導(dǎo)熱系數(shù)越大，因?yàn)樘蟮目紫恫粌H孔壁溫差較

6、大，而且輻射傳熱量加大的同時，大孔隙內(nèi)的對流傳熱也增多，孔隙互相連通比封閉而不連通的導(dǎo)熱系數(shù)大。此外，對于容積重量很小的材料。特別是纖維狀的材料，當(dāng)容積重量低于某一極限時，導(dǎo)熱系數(shù)反而增大，這是由于孔隙率過大，相互連通的孔隙率增多，對流傳熱增加，從而導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)增大。因此對于每一種保溫材料材料，都存在最佳容重。石墨烯保溫材料環(huán)境濕度大，材料的含水率提高。由于水的導(dǎo)熱系數(shù)比靜態(tài)空氣的導(dǎo)熱系數(shù)高數(shù)十倍，保溫材料吸濕后導(dǎo)熱系數(shù)增大。如果孔隙中的水分凍結(jié)成冰，冰的導(dǎo)熱系數(shù)是水的四倍，材料的導(dǎo)熱系數(shù)將更大。因此，保溫材料應(yīng)盡選用吸水性小的原材料，同時保溫材料在使用過程中，應(yīng)注意防潮、防水。材料的導(dǎo)熱系數(shù)

7、隨著溫度的升高而增大。因?yàn)闇囟壬撸牧瞎腆w分子熱運(yùn)動增強(qiáng)，同時，材料孔隙中空氣的導(dǎo)熱和孔隙間的輻射作用增強(qiáng)，所以，材料孔隙中空氣的導(dǎo)熱系數(shù)增大。對于各種異性材料，如木材等纖維質(zhì)材料。當(dāng)熱流平行于纖維延伸方向時，受到的阻力較小，導(dǎo)熱系數(shù)就大；當(dāng)熱流垂直于纖維延伸方向時，受到的阻力較大，導(dǎo)熱系數(shù)小。如以松木的導(dǎo)熱系數(shù)為例，當(dāng)熱流垂直于木紋時，導(dǎo)熱系數(shù)為0.175W/（mk）；而當(dāng)熱流平行于木紋時，導(dǎo)熱系數(shù)為0.3489W/(mk)。超低溫保溫材料研究背景保溫機(jī)理超級保溫材料設(shè)計(jì)010203目錄CONTENTS氣凝膠真空隔熱板氣凝膠是由膠體粒子或高聚物分子相互聚結(jié)構(gòu)成的一種納米孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，常見的二

8、氧化硅氣凝膠是由SiO2網(wǎng)絡(luò)骨架和填充在納米孔隙中的氣體所構(gòu)成的一種高分散固體材料。由于SiO2氣凝膠的密度僅為30100kg/m3，并具有80%以上的孔隙率，因此在常溫下二氧化硅氣凝膠的熱導(dǎo)率僅為0.02W/(mK)。二氧化硅氣凝膠真空絕熱板(VIP板)是真空保溫材料中的一種，是由填充芯材與真空保護(hù)表層復(fù)合而成，它有效地避免空氣對流引起的熱傳遞，因此導(dǎo)熱系數(shù)可大幅度降低，小于0.003w/m.k，并且不含有任何ODS(十八烷基硅烷鍵合硅膠)材料，具有環(huán)保和高效節(jié)能的特性，是目前世界上最先進(jìn)的高效保溫材料。VIP（Vacuum Insulation Panel）板改進(jìn)方案：現(xiàn)改進(jìn)真空絕熱板作為

9、超級保溫材料，采用真空絕熱板的類似結(jié)構(gòu)，主要由3部分組成，即芯材、阻氣層和吸氣劑。芯材常用多孔材料（粉末、塑料泡沫、纖維席等），現(xiàn)使用含紅外遮光劑的二氧化硅氣凝膠作為芯材，提高材料保溫性能。阻氣層采用現(xiàn)在常使用的多層聚酯基薄膜，保持材料內(nèi)部較好的真空度。吸氣劑采用活性炭。改進(jìn)真空絕熱板基于氣凝膠和真空絕熱板的超級保溫材料芯材保溫機(jī)理：輻射：由于材料內(nèi)的氣孔均為納米級氣孔再加材料本身極低的體積密度，使材料內(nèi)部氣孔壁幾乎趨于“無窮多”，對于每一個氣孔壁來說都具有遮熱板的作用，因而產(chǎn)生近于“無窮多遮熱板”的效應(yīng)，從而使輻射傳熱下降到近乎最低極限。而使用加了遮光劑的氣凝膠更減弱了輻射換熱。改進(jìn)真空絕熱板芯材保溫機(jī)理：對流：當(dāng)氣凝膠材料中的氣孔直徑小于70nm時，氣孔內(nèi)的空氣分子就失去了自由流動的能力，相對地附著在氣孔壁上，這是材料處于近似真空狀態(tài)。熱傳導(dǎo)：由于近于無窮多納米孔的存在，熱流在固體中床底是就只能沿著氣孔壁傳遞，近于無窮多的氣孔壁構(gòu)成了近于“無窮長路徑”效應(yīng)，使得固體熱傳導(dǎo)的能力下降到接近最低極限。改進(jìn)真空絕熱板阻氣層的保溫機(jī)理：阻氣層的功能主要是包覆隔絕和防止?jié)B透兩大作用。一方面將芯材包覆起