保温材料综述

高温隔热材料 从热水瓶谈起2009034102黄涛指导老师赵立红，韩永杰说起保温，相信大多数人会想起日常生活中最常见的保温器具：热水瓶.家里用的热水瓶可以很好的保持热水的温度，其原理是什么呢？热水变凉是由于热的对流、热的传导和热的辐射引起的.暖水瓶胆就是针对解决上面三个问题而制成的.瓶口用软木塞阻止热与冷空气的对流；双层瓶胆之间的空隙抽成真空，解决了热的传导；在瓶胆上涂一层薄薄的银，使它成为反射光线和反射热的一面镜子，从而利用银层把热辐射挡了回去.这样，热就不致散失，起到了保温作用.工程中在很多情况下需要保温隔热，因此隔热材料的种类和功能也多种多样.常见隔热材料分为多孔材料，热反射材料和真空材料三类.前者利用材料本身所含的孔隙隔热，因为空隙内的空气或惰性气体的导热系数很低，如泡沫材料、纤维材料等；热反射材料具有很高的反射系数，能将热量反射出去，如金、银、竦、铝箔或镀金属的聚酯、聚酰亚胺薄膜等.真空绝热材料是利用材料的内部真空达到阻隔对流来隔热.航空航天工业对所用隔热材料的重量和体积要求较为苛刻，往往还要求它兼有隔音、减振、防腐蚀等性能.各种飞行器对隔热材料的需要不尽相同.飞机座舱和驾驶舱内常用泡沫塑料、超细玻璃棉、高硅氧棉、真空隔热板来隔热.导弹头部用的隔热材料早期是酚醛泡沫塑料，随着耐温性好的聚氨酯泡沫塑料的应用，又将单一的隔热材料发展为夹层结构.导弹仪器舱的隔热方式是在舱体外蒙皮上涂一层数毫米厚的发泡涂料，在常温下作为防腐蚀涂层，当气动加热达到200°C以上时，便均匀发泡而起隔热作用.人造地球卫星是在高温、低温交变的环境中运动，须使用高反射性能的多层隔热材料，一般是由几十层镀铝薄膜、镀铝聚酯薄膜、镀铝聚酰亚胺薄膜组成.另外，表面隔热瓦的研制成功解决了航天飞机的隔热问题，同时也标志着隔热材料发展的更高水平.真空隔热板是最新的隔热材料，在国外大受推广，多用于家电行业等，这种材料的导热系数极低仅为0.004.所以在保温节能上面效果突出.目前国内的冰箱冷藏集装箱已经完全使用这种材料.在建筑和工业中采用良好的保温技术与材料，往往能起到事半功倍的效果.统计表明，建筑中每使用一吨矿物棉绝热制品，一年可节约一吨石油.北京安苑北里节能小区采用情况表明，单位面积节煤率每年为11.91公斤标煤/平方米.工业设备与管道的保温，采用良好的绝热措施与材料，可显著降低生产能耗和成本，改善环境，同时有较好的经济效益.而在工业设备和管道工程中，良好的保温条件，可使热量损失降低95%左右，通常用于保温材料的投资一年左右可以通过节约的能量收回[1].那么，在特定场合下，如何衡量一种保温隔热材料的性能呢？除了对相应力学性能的满足外，最重要的便是该材料的导热系数与耐热范围.影响隔热材料导热系数的主要因素有⑵：一、 材料类型隔热材料（绝热材料）类型不同，导热系数不同.隔热材料的物质构成不同，其物理热性能也就不同；隔热机理存有区别，其导热性能或导热系数也就各有差异.二、 工作温度温度对各类绝热材料导热系数均有直接影响，温度提高，材料导热系数上升.因为温度升高时，材料固体分子的热运动增强，同时材料孔隙中空气的导热和孔壁间的辐射作用也有所增加.但这种影响，在温度为0-50°C范围内并不显著，只有对处于高温或负温下的材料，才要考虑温度的影响.三、 含湿比率绝大多数的保温绝热材料都具有多孔结构，容易吸湿.材料吸湿受潮后，其导热系数增大.当含湿率大于5%-10%时，导热系数的增大在多孔材料中表现得最为明显.这是由于当材料的孔隙中有了水分（包括水蒸气）后，孔隙中蒸汽的扩散和水分子的运动将起主要传热作用，而水的导热系数比空气的导热系数大20倍左右，故引起其有效导热系数的明显升高.如果孔隙中的水结成了冰，冰的导热系数更大，其结果使材料的导热系数更加增大.所以，非憎水型隔热材料在应用时必须注意防水避潮.四、 孔隙特征在孔隙率相同的条件下，孔隙尺寸越大，导热系数越大；互相连通型的孔隙比封闭型孔隙的导热系数高，封闭孔隙率越高，则导热系数越低.五、 容重大小容重（或比重、密度）是材料气孔率的直接反映，由于气相的导热系数通常均小于固相导热系数，所以保温隔热材料往往都具有很高的气孔率，也即具有较小的容重.一般情况下，增大气孔率或减少容重都将导致导热系数的下降.六、材料粒度常温时，松散颗粒型材料的导热系数随着材料粒度的减小而降低.粒度大时，颗粒之间的空隙尺寸增大，其间空气的导热系数必然增大.此外，粒度越小，其导热系数受温度变化的影响越小.七、 热流方向导热系数与热流方向的关系，仅仅存在于各向异性的材料中，即在各个方向上构造不同的材料中.八、 填充气体隔热材料中，大部分热量是从孔隙中的气体传导的.因此，隔热材料的热导率在很大程度上决定于填充气体的种类.低温工程中如果填充氦气或氢气，可作为一级近似，认为隔热材料的热导率与这些气体的热导率相当，因为氦气和氢气的热导率都比较大.九、 比热容热导率=热扩散系数X比热X密度.在热扩散系数和密度条件相同的情况下，比热越大，导热系数越高.十、真空热传导的方式有三种：对流、传导和辐射.其中对流方式导热为最重要的.通过真空阻绝了对流导热系数就大大的降低了，原理就像是热水瓶一样.而作为骨架的填充材料可能会通过传导方式导热，所以采用导热系数低的玻璃纤维做骨架.外表加上铝膜包装袋对辐射进行阻隔.所以这种材料是导热系数最小的.隔热材料因为其热传导性能差，采取传统热风干燥其耗时很长，并且能耗过大，干燥均匀性较差，而采取微波干燥技术则绕开了其传热性能差的问题，提高了生产效率，符合现代工业生产高效节能环保的要求，解决了传统隔热材料烘干技术用时长，资金周转较慢，且干燥不均匀的问题，下面为一隔热材料制备实例：微波加热膨化速度快，可比马弗炉加热膨化节省大量的膨化时间.这是因为微波不需要热传导过程，可瞬间穿透到被加热物料的中间，并在很短的时间内把微波能转换为热能.微波加热膨化过程稳定，样品可保持原料的色泽，不会使被加热的材料发生变形，材料表面平整；箱式马弗炉加热膨化则不同，样品表面易变色、变形.微波加热膨化过程中，样品各部分受热均匀，表里一致；而箱式马弗炉加热膨化则是从样品表面开始，然后通过热传导至内部，使物体受热不均.两种不同加热膨化方式所制备的样品外表如图1所示.此外，在微波加热膨化过程中，作为膨化剂的水极易吸收微波而发热，除少量的传输损耗外，几乎无其它能

量消耗，因此微波加热膨化过程具有较高的热效率，采用微波技术制作样品所需能耗约为传统高温加热膨化的82%〜87%(a)德波㈱德膨化 00蓦弗炉轴。二腌热魔化图1不同加热膨化方式制备的样品实物图微波加热膨化方式制备的样品的导热系数均不同程度地低于马弗炉加热膨化方式制备的样品的导热系数，如表l所示.通过扫描电镜对样品表面结构进行分析还发现，微波加热膨化方式制备的样品的表面孔隙孔径较大并且分布均匀、表面结构疏松，而马弗炉加热膨化方式制备的样品的表面孔隙孔径较小且分布不均匀，表面结构较为致密.表1不同加热膨化方式制备的样品的导热系数TableLThermalconductivityofsanip］梆preparedbydifferentheatingandexpandingtn削RmJs导焦系数，(耶・m'KL)导热系样品微波加热马弗炉样品微波加热马弗炉圈化加热膨化膨化加热膨化10.0584061600560.05920.0580.0637。.0四0.06430.0570.060S0.0570.06140.0590,06290.0570.06250.0580.063保温材料在满足性能要求的同时，经济性犹未重要，下面以管道保温材料为例进行说明囹：一般来说，管道散热损失不应超过总输送热量的5%—8%,当环境温度为27^时，保温层外表面温度不应超过50°C。为减小保温结构的热损失应按经济厚度方法计算(见表4)。表4几稗保温材料在不同经济厚度下的投资额比较料名称经济厚度mm投瓷鞭(元)⑴然撅失金微*15年(^)(2)投资总，顼⑴+⑵然损失小的材料选择钟群却洲破肆捣骨8049200LU1651€0365V、■/树脂超细玻铝棉管壳8047150124485171635器棉管壳26650208050234700树脂豺枸100M0015W50179750在新材料不断发展的今天，各种各样的保温材料层出不穷，按照不同的性能要求选择合适、经济的隔热材料，才能更好的突显节能环保的时代主题。参考文献［1］百度百科保温隔热材料/view/1218327.htm⑵PengLi