几种新型绝热材料的介绍.pdf

材料名称 密度ρ (k g / m 3 ) 导热系数λ [ W/ ( m·K ) ] 密度ρ (k g / m 3 ) 导热系数λ [ W/ ( m·K ) ] 聚苯乙烯泡沫5 00 . 4 32 5 0 0 . 0 4 5 聚氨酯泡沫5 00 . 0 2 3 3 ～ 0 . 0 2 5 62 0 ～ 5 00 . 0 3 5 ～ 0 . 0 4 5 聚氯乙烯泡沫6 0 ～ 7 00 . 0 4 37 0 ～ 2 5 00 . 0 4 7 ～ 0 . 0 7 4 酚醛泡沫3 0 ～ 4 50 . 0 3 52 0 0 ～ 3 5 00 . 0 5 6 ～ 0 . 0 8 7 橡塑泡沫5 0 ～ 2 2 00 . 0 3 91 0 0 ～ 3 0 00 . 0 6 2 ～ 0 . 9 5 软木2 4 0 ～ 2 5 00 . 0 5 83 5 0 ～ 5 5 00 . 0 9 0 ～ 0 . 1 4 2 岩棉、 矿渣 棉 散料≤1 5 0≤0 . 0 4 43 0 0 ～ 5 0 00 . 0 4 5 制品8 0 ～ 1 6 0≤0 . 0 5 41 7 0 ～ 2 4 00 . 0 5 5 ～ 0 . 0 6 4 玻璃棉 散料 1 0 00 . 0 4 1 ～ 0 . 0 4 90 . 0 5 0 制品 1 0 0≤0 . 0 5 21 4 0 ～ 1 8 00 . 0 4 9 ～ 0 . 0 7 0 硅酸铝纤维 散料1 0 0 ～ 1 9 01 6 0 ～ 2 5 00 . 0 5 ～ 0 . 0 7 制品4 0 0 ～ 7 0 0(3 0 0 ℃)≤0 . 2 13 0 00 . 0 6 5 石棉 散料3 5 ～ 2 3 00 . 0 5 5 ～ 0 . 0 7 73 0 0 ～ 3 5 00 . 0 8 制品2 5 ～ 5 00 . 0 4 1 ～ 0 . 0 5 60 . 0 5 材料名称 膨胀 珍珠岩 散料 制品 膨胀 蛭石 散料 制品 散料 散料 陶瓷泡制品 泡沫玻璃 复合硅 酸盐保湿膏 水泥聚苯板 聚合物保湿砂浆 丙烯酸陶瓷泡 海泡石 散料 制品 土状 海泡石 硅酸盐 绝热, 即隔绝热量的传递, 绝热材料正越来越广 泛地被运用到电力、 石化、 化工、 冶金、 建材行业以及 其他工业领域和人民的日常生活中,比如供热管道 所采取的绝热措施对减少能源的浪费起到了很好的 作用;建筑中采用保温墙体,也降低了室内能源消 耗; 液化器的保温, 低温液化气的运输, 低温环境的 获得与支持,各种低温下的应用等等都离不开绝热 技术以及采用相应的绝热材料。

特别是随着节能在 国民经济中的地位将越来越高,保温节能是节能的 重要组成部分, 可以直接产生巨大的经济效益, 被认 为是周期短、 见效快、 投资少的技术途径绝热材料 一般可分为有机和无机两大类,表1给出一些绝热 几种新型绝热材料的介绍 摘要: 介绍了一些新型绝热材料, 分别对各种材料的绝热或保 温原理进行简明阐述,并对其研究进展和实际应用情况进行总结, 指出其发展前景 关键字: 绝热材料; 纳米; 真空; 低辐射; 相变; 透明 表1一些绝热材料的密度和导热系数值 李 义 ( 同济大学机械学院, 上海,2 0 1 8 0 4) 论文集粹 4 6-- 2 0 0 7年第六期 (第2 3卷 第1 0 1期) 材料的密度和导热系数值[ 2 ]: 随着国家对节能的要求越来越严格,国民的节 能意识越来越强,现有的一些的绝热材料已不能满 足要求, 同时随着科研水平的提高, 国内外也涌现出 许多新型的绝热材料和技术,下面介绍其中几种比 较有发展前景的材料和技术 1纳米孔绝热材料[ 3 ] ～[ 5 ] 1 . 1绝热原理 纳米孔硅质绝热材料中的微孔尺寸均小于气体 分子的平均自由程,这些屏障使得气体分子无法参 与热传递, 从而从本质上切断了气体分子的热传导; 由于纳米孔硅质绝热材料中包围气体的微孔足够 小,所以气体无法进行对流传热,而且通常温度越 高, 微孔内的温度梯度越陡, 阻断对流传热所需的临 界孔径就越小;为了最大限度地降低固体材料的热 传导, 作为气体屏障的固体薄膜应尽量地薄, 而硅质 气凝胶基本接近于这一理论模型,所以硅质气凝胶 本身就具有极低的热传导; 对于硅质气凝胶, 红外光 与可见光的湮灭系数比接近1, 故在常温下, 硅质气 凝胶具有较好的透光性,对红外光线有较好的遮蔽 作用, 具有明显的透明绝热材料的特点。

其使用温度范围为:- 1 9 0℃～ 10 5 0℃;导热系 数为: 1 . 2研究进展及实际应用 纳米孔绝热材料属于超效绝热材料 ( 导热系数 小于“ 静止空气” 的绝热材料) ,2 0世纪4 0年代, 美 国M O N S A N T O公司的S a m u e l K i s t l e r将纳米孔结 构模型首先在硅气凝胶上变成现实, 通过保留S i O 2 颗粒在气凝胶状态下的排列结构,成功制造了纳米 孔型的硅气凝胶最初的纳米孔绝热产品一直以粉 状材料供货,直到后来才出现块状材料并应用与航 天及核能领域一直以来,国内外真正采用气凝胶 作为超级绝热材料的还很少,有的也只是采用传统 的方法来制备, 不仅具有一定的危险性, 也增加了制 作成本, 但近几年来, 纳米孔硅质绝热材料在绝热材 料工业中越来越受到关注,K i s t l e r工艺也在不断完 善, 产品成本有了明显下降, 应用范围也变得更广 2真空绝热材料[ 6 ] ～[ 1 0 ] 2 . 1绝热原理 真空绝热材料是超效绝热材料的另外一个重要 分支,目前从产品形态上可分为真空绝热板和真空 绝 热 容 器 , 这 里 只 介 绍 真 空 绝 热 板 (V a c u u m i n s u l a t e dp a n e l s, 以下简称V I P) 。

V I P是热传导率可 以达到传统绝热材料的1 / 3甚至1 / 1 0,导热系数可 以达到0 . 0 0 4W/ ( m·K ),目前大多V I P设计成平板 状, 也有些特殊场合使用弯曲V I P 平板V I P是由两 块平板和中间的芯层( 真空) 组成, 对V I P而言, 其 整体的导热系数主要取决于芯层的导热系数最初 人们采用单纯的高真空绝热,这种方法可以消除对 流传热和绝大部分气体导热,而且结构简单、重量 轻、热容量小,但要获得和维持高真空状态比较困 难后来又提出了真空多孔绝热材料,即在真空空 间内填充多孔绝热材料, 缩短空间间壁的距离, 无需 很高的真空度就可以使空气的热传导几乎为零, 又 因气体被分隔或封闭在无数微小空间内,因此对流 传热量比例也很小另外,真空绝热芯材可以起到 对红外热辐射进行吸收、 散射的作用 V I P的传热量主要由两部分组成,一部分是通 过真空绝热层的传热量,另一部分是通过支承结构 的传热量,这里只讨论通过真空绝热层的传热量 对于单纯高真空绝热, 其传热量由两部分组成, 即残 余气体的导热Q 1和冷热壁之间的辐射传热Q 2由 文献[ 1 0 ]推导得: Q 1= λ 0F ( T1- T2) δ ( 1 + 2 β K n ) ,Q 2 = ε nc0F T 1 1 0 0 !“ 4 - T 2 1 0 0 !“ 4 #$φ1 - 2 λ 0—— —大气压下稀薄气体导热系数; F———板面面积; T 1、T2—— —板两侧温度; 式中:δ———板厚; K n———克努得逊系数; β———与P r数和温度适应系数α相关的常数; c 0—— —黑体辐射系数; ε n—— —有效辐射系数; φ 1 - 2—— —辐射传热角系数。

而对于真空多孔绝热,由于这类介质中传热相 温度(℃)01 0 0 2 0 04 0 08 0 0 导热系数 [ W/ ( m·K ) ] 0 . 0 2 00 . 0 2 20 . 0 2 40 . 0 2 90 . 0 4 3 论文集粹 4 7-- 当复杂, 不同的传热过程有时还互相交叉影响, 所以 其导热系数的计算相当困难, 为了简化计算, 可以综 合固体及气体导热系数、 辐射导热系数、 固体接触导 热系数, 用有效导热系数来表征文献[ 1 0 ]还提出由 于多孔材料本身就是一种很好的吸气剂,使得绝热 结构中的真空度进一步提高,故成为一种以辐射传 热为主的绝热结构, 所以其有效导热系数可表示为: λ e= B ( T1+ T2) ( T 2 1+ T 2 2) 其中B为系数, 通过实验可以得到不同绝热材 料的B值 2 . 2研究进展及实际应用 V I P由于价格比一般的保温材料要贵许多, 而 且其板型较少,使用寿命不长,所以应用一直不广 泛, 但随着技术的进步,V I P的各种性能得到各种改 善, 制造成本也进一步降低, 目前,V I P在建筑节能、 冰箱和冷库、 液氧等的储存与运输、 超导等领域均有 应用。

目前V I P在建筑保温上的应用还在起步阶段, 建筑用V I P是从应用于设备冰箱的优异保温材料 发展而来的, 只有德国和瑞士建立了应用V I P的建 筑市场,迄今为止已有数十项V I P应用于地面、 屋 面、 阳台、 墙面等保温隔热的工程实例 3低辐射绝热材料[ 1 1 ] [ 1 2 ] 3 . 1绝热原理 热辐射因温度而引起,以电磁波辐射方式向外 发射能量, 不论物体温度高低都存在热辐射, 只是能 量大小不同热辐射能量与温度的四次方成正比: q = σ ε nT 4 式中:σ为辐射常数( 斯蒂芬- 玻尔兹曼常数) ; ε为物体表面辐射率, 为小于或等于1的正数 低辐射绝热材料能够尽量减少对热辐射的吸收 率和投射率, 而提高反射率, 使绝大部分辐射热被反 射回去而封闭在保温结构内,等同于有效地提高了 保温结构的总热阻 3 . 2研究进展及实际应用 由于材料的热反射和热辐射性能仅与材料表面 性能有关,故低辐射绝热材料的厚度可以比一般绝 热材料小很多,也可以在现有保温结构外表面在包 覆一层低辐射绝热材料, 提高保温效率, 比如保温涂 层等等 如今一个研究热点是纳米亚纳米涂层技术, 纳米材料涂层具有广泛变化的光学性能,其光学投 射谱可从紫外波段一直延伸到远红外波段,在一般 的保温材料或非保温材料上涂纳米材料涂层,可以 达到减少光的透射和隔断热传递的效果。

例如某油田Ф 1 1 4注汽管线保温,刚开始采用 外护为二布三油沥青玻璃丝布, 使用一年后, 散热损 失严重, 平均达3 4 0W/ m 2左右, 当加入低辐射绝热 层 ( 兼作第二道放水层)后建成后与原结构厚度相 当, 运行达到热稳定状态后进行保温效果的测试, 管 线表面热流密度平均为7 5 W/ m 2 , 环境温度为1 2 . 7 ℃, 管道表面温度平均为1 5 . 4℃, 运行9个月进行第二 次现场测试,管线表面热流密度平均为6 3 5W/ m 2 , 环境温度为3 0 . 3℃,管道表面温度平均为3 2 . 3 ℃, 测试结果表明该保温结构效果良好,散热损失低于 国际规定散热损失达6 0 %另外, 低辐射绝热材料 还可以应用与建筑节能, 经检测, 其对太阳热辐射的 反射率可达0 . 8 0, 可广泛地用于建筑屋顶或外墙, 另 外低辐射绝热材料在温室大棚、 冷库、 遮阳棚也将有 较好的应用前景 4相变储能材料[ 1 3 ] ～[ 1 4 ] 4 . 1储能原理 相变材料是一种能够从一种状态到另一种状态 转变的物质,在转变的过程中物质的分子迅速由有 序转变成无序, 同时伴随发生吸热或放热现象, 它能 够吸收环境的热 ( 冷)量,并在需要的时候放出热 ( 冷) 量, 从而达到控制周围环境温度, 保温的目的。

4 . 2研究进展及实际应用 总的来说,相变绝热材料可以分为无机和有机 两大类, 无机类相变材料除热密度大, 融解热大, 但 存在过冷和相分离现象有机类相变材料具有良好 的热行为, 物理化学性质稳定, 但导热系数较低 相变储能材料已被广泛应用于空调储冷、建筑 保温领域。