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(jí)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(jiǎn)介保溫材料： 工程上習(xí)慣把導(dǎo)熱系數(shù)很小的材料稱(chēng)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(guò)微小空隙的導(dǎo)熱與對(duì)流（高溫時(shí)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(chēng)為超低溫。而隨著溫度降低，物質(zhì)會(huì)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(duì)冷凍的要求也提高了。同時(shí)面臨能源危機(jī)的威脅，節(jié)能已經(jīng)成為一個(gè)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(jí)保溫材料設(shè)計(jì)010203目錄CONTENTS常見(jiàn)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(shí)，在碰到氣孔前，傳遞過(guò)程為固相中的導(dǎo)熱，在碰到氣孔后，一條路線仍然是通過(guò)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(guò)氣孔內(nèi)氣體的傳熱，其中包括高溫固體表面對(duì)氣體的輻射和氣體自身的熱對(duì)流、氣體的導(dǎo)熱、熱氣體對(duì)冷固體表面的輻射及對(duì)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(duì)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(guò)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(lèi)似，如圖溫度梯度與纖維方向相垂直時(shí)，材料保溫性能比兩者相平行時(shí)好。當(dāng)外來(lái)的熱輻射能量投射到物體（不透明）上時(shí)，通常

4、會(huì)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小；反之，如果吸收能力強(qiáng)，則其反射率就小。故利用某些材料對(duì)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(lái)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(duì)于多孔保溫材料來(lái)說(shuō)，無(wú)論固體部分的結(jié)構(gòu)是晶體的還是玻璃體的，對(duì)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(shí)，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(guò)改變其分子結(jié)構(gòu)的辦法：如將熔融的高爐礦渣通過(guò)不同的冷卻速度，可形成分子結(jié)構(gòu)個(gè)不相同的材料，其中通過(guò)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(shí)，大孔隙內(nèi)的對(duì)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(duì)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(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)反而增大，這是由于孔隙率過(guò)大，相互連通的孔隙率增多，對(duì)流傳熱增加，從而導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)增大。因此對(duì)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(shí)保溫材料在使用過(guò)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?，材料固體分子熱運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，同時(shí)，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(duì)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(shí)，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(shí)，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(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.175W/（mk）；而當(dāng)熱流平行于木紋時(shí)，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(jí)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(jiàn)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(duì)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(jí)保溫材料，采用真空絕熱板的類(lèi)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(jí)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(jí)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(wú)窮多”，對(duì)于每一個(gè)氣孔壁來(lái)說(shuō)都具有遮熱板的作用，因而產(chǎn)生近于“無(wú)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(duì)流：當(dāng)氣凝膠材料中的氣孔直徑小于70nm時(shí)，氣孔內(nèi)的空氣分子就失去了自由流動(dòng)的能力，相對(duì)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(wú)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(wú)窮多的氣孔壁構(gòu)成了近于“無(wú)窮長(zhǎng)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