第13章絕熱材料,吸聲與隔聲材料

13、絕熱材料，吸聲與隔聲材料

13.1絕熱材料在建筑中，習(xí)慣上把用于控制室內(nèi)熱量外流的材料叫做保溫材料；把防止室外熱量進(jìn)入室內(nèi)的材料叫做隔熱材料。保溫、隔熱材料統(tǒng)稱為絕熱材料。在房屋建筑工程中,其圍護(hù)結(jié)構(gòu)所采用的材料必須具有一定的保溫隔熱性。在夏季不讓室外高溫通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳入室內(nèi)；而在冬季則阻止室內(nèi)較高溫度通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳遞到室外。這對(duì)于減少供暖和降溫的能耗，節(jié)約能源具有十分重要的意義。國家已頒布行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ134-2001）評(píng)定材料保溫隔熱性能主要指標(biāo)是導(dǎo)熱系數(shù)（λ）建筑上一般將導(dǎo)熱系數(shù)λ<0.23w/(m?K)的材料稱為絕熱材料。

一、影響材料導(dǎo)熱系數(shù)的主要因素：１、物質(zhì)構(gòu)成

λ金屬材料＞＞λ無機(jī)非金屬材料＞λ有機(jī)材料２、孔隙構(gòu)造一般來說，材料的孔隙率Ｐ↑→λ↓（∵λ空氣＜＜λ固體）當(dāng)孔隙率相同時(shí)：孔徑d↑→λ↑；λ連通孔＞λ封閉孔。絕熱材料的孔隙特征：細(xì)小封閉而互不連通。絕熱材料主要是輕質(zhì)疏松多孔或纖維狀材料。３、濕度材料受潮后，λ↑（∵λ固體＞λ液體＞λ氣體）；若水結(jié)冰，則λ進(jìn)一步↑（λ冰＝２.20＞λ水=0.58＞λ空氣=0.023）。故絕熱材料在應(yīng)用時(shí)必須注意防水避潮。4、溫度

t↑→λ↑（t↑→材料分子熱運(yùn)動(dòng)↑，但在0-50℃范圍內(nèi)影響不大）對(duì)于處于高溫或負(fù)溫下的材料，需考慮溫度的影響。

5、熱流方向?qū)τ诶w維構(gòu)造的材料（如木材）：

λ順纖維方向＞λ橫纖維方向。對(duì)于絕熱材料而言，上述因素中，孔隙構(gòu)造和濕度對(duì)λ影響最大。二、絕熱材料的基本要求

λ＜0.23w/m·k，f壓≥0.3MPa，ρ0≤600kg/m3(塊狀材料)。絕熱材料微觀結(jié)構(gòu)

請(qǐng)觀察常用絕熱材料的微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如下圖所示。并分析如何可獲得具此類微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的絕熱材料。絕熱材料一般系輕質(zhì)、疏松多孔的，且孔隙最好不連通，可為松散顆粒或纖維狀，欲獲得此類絕熱材料，可從以下幾方面著手：

①利用天然多孔或纖維狀的材料為主要組成材料，如軟木、浮石、甘蔗板等；

②在材料中摻入加氣劑或者泡沫劑以形成多孔結(jié)構(gòu)，如加氣混凝土、泡沫塑料等；

③在材料中加入能被燒去或于高溫下可分解出氣體而形成多孔的材料，如泡沫玻璃；

④材料本身在高溫下自行膨脹為多孔結(jié)構(gòu)，如膨脹珍珠巖、膨脹蛭石。

三、常用絕熱材料及其性能1．泡沫塑料及其制品2．無機(jī)多孔、纖維材料3．反射型絕熱材料4．其它絕熱材料1．泡沫塑料及其制品（1）聚苯乙烯泡沫塑料及其保溫砂漿（2）聚氨酯泡沫塑料（3）聚氯乙烯泡沫塑料酚醛泡沫塑料在屋面上的應(yīng)用2．無機(jī)多孔、纖維材料（1）膨脹珍珠巖（2）膨脹蛭石（3）發(fā)泡粘土（4）輕質(zhì)混凝土（5）微孔硅酸鈣（6）泡沫玻璃（7）空心玻璃微珠（8）巖棉及礦渣棉（9）玻璃棉（10）陶瓷纖維（1）膨脹珍珠巖膨脹珍珠巖是由天然珍珠巖為原料，經(jīng)煅燒體積急劇膨脹（約20倍）而得蜂窩狀白色或灰白色松散顆料。堆積密度為40～300kg／m3，λ=0.025～0.048Ｗ／(ｍ·Ｋ)，耐熱800°C，為高效能保溫保冷填充材料。（2）膨脹蛭石蛭石是一種天然礦物，經(jīng)850～1000°C燃燒，體積急劇膨脹(可膨脹５～20倍)而成為松散顆粒，其堆積密度為80～200kg／m3，導(dǎo)熱系數(shù)0.046～0.07W/(m·K)，用于填充墻壁、樓板及平屋頂，保溫效果佳。可在1000～1100℃下使用。膨脹蛭石也可與水泥、水玻璃等膠凝材料配合，制成磚、板、管殼等用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)及管道保溫。

泡沫玻璃制品玻璃棉制品玻璃棉的應(yīng)用玻璃棉是用玻璃原料或碎玻璃經(jīng)熔融后經(jīng)噴吹制成的纖維狀材料。玻璃棉是一種優(yōu)良的保溫、絕熱、吸聲、過濾材料。廣泛應(yīng)用于國防、石油化工、建筑、冶金、冷藏、交通等領(lǐng)域。玻璃棉氈主要用于建筑物的隔熱、隔聲，通風(fēng)空調(diào)設(shè)備的保溫，播音室、消音室及噪音車間的吸聲；玻璃棉板用于冷庫、倉庫、隧道及房屋建筑的隔熱、隔聲。玻璃棉管套主要用于通風(fēng)、供熱、供水、動(dòng)力等設(shè)備管道的保溫。玻璃棉制品的性能巖礦棉巖礦棉是用作絕熱吸聲材料的巖棉和礦渣棉等一類無機(jī)纖維材料的總稱。巖棉由熔融的巖石經(jīng)噴吹制成；礦渣棉由熔融的礦渣經(jīng)噴吹制成。礦棉具有輕質(zhì)、不燃、絕熱和電絕緣等性能，且原料來源廣，成本較低?？芍瞥傻V棉板、礦棉氈及管殼等?？捎米鹘ㄖ锏膲Ρ?、屋頂、天花板等處的保溫和吸聲材料，以及熱力管道的保溫材料。該類材料在外觀上具有相同的纖維狀形態(tài)和結(jié)構(gòu)，并具有密度較小、導(dǎo)熱系數(shù)低、不燃、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)、吸聲性能好、無毒、無污染、防蛀、價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)。生產(chǎn)方法：噴吹法、離心法、離心噴吹法。廣泛應(yīng)用于建筑物的填充絕熱、保溫、吸聲、隔聲等領(lǐng)域。巖棉制品硅酸鋁纖維（陶瓷纖維）制品硅酸鋁纖維制品的技術(shù)性能（陶瓷纖維）耐高溫性能是所有絕熱材料中最高的。導(dǎo)熱系數(shù)小，在高溫區(qū)的熱傳導(dǎo)率很小。表觀密度小，一般在90～220kg/m3。熱穩(wěn)定性好，即使溫度急劇變化，也不會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)應(yīng)力?；瘜W(xué)穩(wěn)定性好，除強(qiáng)堿、氫氟酸、磷酸外，幾乎不受其它化學(xué)品的侵蝕。吸聲性能優(yōu)良。纖維直徑為2～3m，長(zhǎng)度為50mm。硅酸鋁纖維板的性能結(jié)

構(gòu)

類

型舉

例纖維狀天然的石棉與石棉制品、植物纖維、動(dòng)物纖維人造的巖棉與巖棉制品、礦渣棉及其制品、玻璃棉及其制品、硅酸鹽棉及其制品、化學(xué)纖維與纖維織物散粒狀天然的浮石、火山渣、硅藻土、爐渣、植物碎屑人造的膨脹珍珠巖及其制品、膨脹蛭石及其制品、陶粒與陶砂制品、空心氧化鋁球及其制品微孔狀天然的硅藻土、沸石巖、軟木人造的加氣混凝土、泡沫玻璃、泡沫石膏、泡沫水泥、泡沫塑料、粘土陶粒、微孔硅酸鹽層

狀天然的木夾板人造的塑料板、吸熱玻璃板、中空玻璃、蜂窩夾芯板、鋁箔、泡沫夾層板常用絕熱材料結(jié)構(gòu)類型絕熱材料的應(yīng)用：某冰庫原采用水玻璃膠結(jié)膨脹蛭石板作絕熱材料經(jīng)過一段時(shí)間后，隔熱效果逐漸變差。后以聚苯乙烯泡沫夾芯板作為隔熱墻體，在內(nèi)墻噴涂聚胺酯泡沫層作絕熱材料，取得良好的效果。原因分析：水玻璃膠結(jié)膨脹蛭石板用于冰庫易受潮，受潮后其絕熱性能下降。而聚苯乙烯泡沫夾芯板和聚胺酯泡沫層均不易受潮，且有較好的低溫性能，故用于冰庫可取得良好的效果。圖13-2聚苯乙烯泡沫夾心板

圖11-3內(nèi)墻噴涂聚胺酯泡沫層

13.2吸聲材料1、材料的吸聲原理聲音是由于物體振動(dòng)而產(chǎn)生的一種振動(dòng)波。當(dāng)聲波遇到材料表面時(shí)，一部分被反射，另一部分穿透材料，其余的部分則傳遞給材料，在材料的孔隙中引起空氣分子與孔壁的摩擦和粘滯阻力，轉(zhuǎn)化為熱能而被吸收掉。2、吸聲材料的性能要求吸聲材料的吸聲性能用吸聲系數(shù)表示：即被材料吸收的聲能（Ｅ）與傳遞給材料的全部聲能（E0）之比：

α=E/E0吸聲系數(shù)與聲音的頻率及入射方向有關(guān)。通常采用六個(gè)頻率的吸聲系數(shù)表示材料的吸聲特性：125、250、500、1000、2000、4000Hz。凡六個(gè)頻率的平均吸聲系數(shù)大于0.2的材料，稱為吸聲材料。常用吸聲材料的吸聲系數(shù)見表12-5。常用吸聲材料及其吸聲系數(shù)3、常用吸聲材料及其構(gòu)造（1）多孔吸聲材料聲波進(jìn)入材料內(nèi)部互相貫通的孔隙，引起空氣分子與孔壁的摩擦和粘滯阻力，產(chǎn)生振動(dòng)，從而使聲能轉(zhuǎn)化為熱能而被吸收。這類多孔材料的吸聲系數(shù)一般從低頻到高頻逐漸增大，故對(duì)中頻和高頻的聲音吸收效果較好。材料中開放的、互相連通的小孔越多，其吸聲性能越好。（2）柔性吸聲材料具有密閉氣孔和一定彈性的材料，如泡沫塑料。聲波引起的空氣振動(dòng)使材料產(chǎn)生相應(yīng)振動(dòng)克服內(nèi)部的摩擦而消耗了聲能，引起聲波衰減。（3）簾幕吸聲體用具有通氣性能的紡織品，安裝在離墻面或窗洞一定距離處，背后設(shè)置空氣層。對(duì)中、高頻都有一定吸聲效果。（4）薄板振動(dòng)吸聲結(jié)構(gòu)將薄板（如膠合板、薄木板、纖維板、石膏板等）釘在墻或頂棚的龍骨上，背后留有空氣層。該結(jié)構(gòu)主要用于吸收低頻聲波。（5）穿孔板組合共振吸聲結(jié)構(gòu)各種材質(zhì)的穿孔薄板周邊固定在龍骨上，并在背后設(shè)置空氣層。該吸聲結(jié)構(gòu)適合吸收中頻聲波，在建筑中使用比較普遍。13.3隔聲材料建筑上把主要起隔絕聲音作用的材料稱為隔聲材料。隔聲可分為隔絕空氣聲和隔絕固體聲兩種：

1、空氣聲（通過空氣傳播的聲音）的隔絕隔絕空氣聲，主要服從聲學(xué)中的“質(zhì)量定律”，即材料的體積密度越大，質(zhì)量越大，越不易振動(dòng)，則隔聲效果越好。因此應(yīng)選用密實(shí)、沉重的材料，如磚、砼、鋼板等。而吸聲性能好的材料，一般為輕質(zhì)多孔的材料，不能簡(jiǎn)單地就把它作為隔聲材料來使用。

2、固體聲（通過固體的撞擊或振動(dòng)傳播的聲音）的隔絕采用不連續(xù)的結(jié)構(gòu)處理，隔斷聲波傳遞的途徑，即在結(jié)構(gòu)層中（如在墻壁和承重梁之間、房屋的框架和隔墻及樓板之間）加入具有一定彈性的襯墊材料，如毛氈、軟木、橡膠等，或在樓板上加彈性地毯。13.4相變儲(chǔ)能建筑材料

相變材料簡(jiǎn)介一般材料在加熱過程中達(dá)到熔化溫度時(shí)，就產(chǎn)生從固態(tài)到液態(tài)的相變。在這一熔化過程中，相變材料吸收并儲(chǔ)存大量的潛熱。相變材料的溫度在整個(gè)過程中幾乎保持恒定。如由冰到水的相變過程中所吸收的潛熱幾乎比相變溫度范圍外加熱過程的熱吸收高100倍。熱效率高13.4相變儲(chǔ)能建筑材料通過向普通建筑材料中加入相變材料，可以制成具有較高熱容的輕質(zhì)建筑材料，稱之為相變儲(chǔ)能建筑材料。相變材料與建筑材料基體相結(jié)合的方法目前有以下幾種：①將相變材料吸入多孔建筑材料中；②將相變材料密封后置入建筑材料中；③將相變材料與建筑材料直接混合；④將有機(jī)相變材料乳化后添加到建筑材料中；⑤利用封接劑將相變材料密封在建筑材料中。例1：什么是絕熱材料？工程上對(duì)絕熱材料有哪些要求？例2：材料絕熱的基本原理是什么？例3：絕熱材料為什么總是輕質(zhì)的？使用時(shí)為什么一定要注意防潮？例4：試述材料的吸聲性能及其表示方法？什么是吸聲材料？例5：簡(jiǎn)述吸聲材料的基本特征？例6：試述多孔材料、穿孔材料及薄板共振結(jié)構(gòu)的吸聲原理。隨著材料的表觀密度和厚度的增加，材料吸聲性能有何變化？例7：吸聲材料和絕熱材料在構(gòu)造特征上有何異同？泡沫玻璃是一種強(qiáng)度較高的多孔結(jié)構(gòu)材料，但不能用作吸聲材料，為什么？例8：試述隔絕空氣傳聲和固體撞擊傳聲的處理原則？例1：什么是絕熱材料？工程上對(duì)絕熱材料有哪些要求？解：絕熱材料是指導(dǎo)熱系數(shù)（λ）值應(yīng)不大于0.23W／(m·K)的隔熱保溫效果好的建筑材料。工程上首先要求絕熱材料有較低的導(dǎo)熱系數(shù)。其次，要求絕熱材料應(yīng)該是輕質(zhì)的，其表觀密度不大于600kg／m3。同時(shí)要滿足運(yùn)輸、施工中強(qiáng)度要求（抗壓強(qiáng)度大于0.3MPa）。此外，還要求材料吸濕性要小，或者易于防水，否則會(huì)明顯降低保溫性。對(duì)材料的導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)在相對(duì)濕度為８０％～８５％條件下材料達(dá)到平衡含水狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)定。工程上還要求材料施工容易，造價(jià)低廉，具有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。例2：材料絕熱的基本原理是什么？解：熱在本質(zhì)上是組成物質(zhì)的分子、原子和電子等在物質(zhì)內(nèi)部的移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)所產(chǎn)生的能量。在任何介質(zhì)中，當(dāng)存在著溫度差時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生熱的傳遞現(xiàn)象，熱能將由溫度較高的部分傳遞至溫度較低的部分。不同的建筑材料具有不同的保溫隔熱性能，主要體現(xiàn)在材料的導(dǎo)熱系數(shù)上，導(dǎo)熱系數(shù)愈小，保溫性能愈好。傳熱的基本方式有熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三種。一般來說，三種傳熱方式總是共存的，但因絕熱性能良好的材料常是多孔的，雖然在材料的孔隙內(nèi)有著空氣，起著輻射和對(duì)流作用，但與熱傳導(dǎo)相比，熱輻射和對(duì)流所占的比例很小，故在建筑熱工計(jì)算時(shí)通常不予考慮。例3：絕熱材料為什么總是輕質(zhì)的？使用時(shí)為什么一定要注意防潮？解：由于材料中固體物質(zhì)的導(dǎo)熱能力要比空氣的導(dǎo)熱能力大得多，因此，一般的輕質(zhì)材料，其表觀密度較小，導(dǎo)熱系數(shù)也較小。所以絕熱材料總是輕質(zhì)的。材料吸濕受潮后，其導(dǎo)熱系數(shù)就增大，這是由于當(dāng)材料的孔隙中有了水分（包括水蒸氣）后，則孔隙中蒸汽的擴(kuò)散和水分子的熱傳導(dǎo)將起主要傳熱作用，而水的λ為0.58Ｗ／（ｍ·Ｋ），比空氣的λ=0.029Ｗ／（ｍ·Ｋ）大20倍左右。如果孔隙中的水結(jié)成了冰，則冰的λ=2.33Ｗ／（ｍ·Ｋ），其結(jié)果使材料的導(dǎo)熱系數(shù)更加增大。故絕熱材料在應(yīng)用時(shí)必須注意防水避潮。例4：試述材料的吸聲性能及其表示方法？什么是吸聲材料？解：吸聲性能是指材料能夠吸收由空氣傳遞的聲波能量的性質(zhì)。以吸聲系數(shù)（α）表示。吸聲系數(shù)是這些被吸收的能量（Ｅ）（包括部分穿透材料的聲能在內(nèi)）與傳遞給材料的全部聲能（E0）之比。常用規(guī)定的六個(gè)頻率：125、250、500、1000、2000、4000Hz的平均吸聲系數(shù)（α）來表示。平均吸聲系數(shù)大于0.2的材料，列為吸聲材料。吸聲系數(shù)與聲音的頻率及聲音的入射方向有關(guān)。因此吸聲系數(shù)用聲音從各方向入射的吸收平均值表示，并應(yīng)指出是對(duì)哪一頻率的吸收。例5：簡(jiǎn)述吸聲材料的基本特征？解：吸聲材料的基本特征是：（１）多孔性。吸聲材料孔隙率幾乎達(dá)70％～90％；（２）開口孔隙率大、透氣性好；（３）體積密度適宜，過大會(huì)使透氣性降低而使吸聲性能降低；常采取硬質(zhì)板上鉆孔，背后留空氣夾層或填以柔性吸聲材料做成吸聲結(jié)構(gòu)的形式，以提高吸聲系數(shù)。例6：試述多孔材料、穿孔材料及薄板共振結(jié)構(gòu)的吸聲原理。隨著材料的表觀密度和厚度的增加，材料吸聲性能有何變化？解：多孔材料、穿孔材料的吸聲原理在于：聲波深入材料的孔隙，且孔隙多為內(nèi)部互相貫通的開口孔，受到空氣分子摩擦和粘滯阻力，以及使細(xì)小纖維作機(jī)械振動(dòng)，從而使聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。薄板共振結(jié)構(gòu)系采用薄板釘牢在靠墻的木龍骨上，薄板與板后的空氣層構(gòu)成了薄板共振吸聲結(jié)構(gòu)，