11.第十一章-绝热与吸声材料

第十一章绝热与吸声材料主讲：周美茹建筑材料教学目标通过本章的学习，〔1〕了解绝热材料的传热原理；〔2〕重点了解常用绝热材料的性能及应用；〔3〕了解吸声材料的吸声原理及影响吸声的因素；〔4〕重点了解常用吸声材料及结构的特点。本章内容11.1绝热材料概述11.2常用绝热材料11.2.1常用无机绝热材料11.2.2常用有机绝热材料11.3吸声材料概述11.4常用吸声材料及结构11.3.1多孔吸声材料11.3.2共振吸声结构11.3.3其他吸声结构课堂练习复习思考题绝热材料定义：在建筑中，习惯上把用于控制室内热量外流的材料叫做保温材料；把防止室外热量进入室内的材料叫做隔热材料。保温、隔热材料统称为绝热材料。影响因素：影响材料保温性能的主要因素是导热系数的大小，导热系数愈小，保温性能愈好。性能要求：绝热材料通常导热系数〔λ〕的值应不大于0.23W／(m·K)，材料热阻〔Ｒ〕的值应不小于4.35〔m2·K〕/W。此外，绝热材料尚应满足：表观密度不大于600kg／m3，抗压强度大于0.3MPa，构造简单，施工容易，造价低等。11.1绝热材料概述影响材料导热系数的因素材料的性质：不同的材料其导热系数是不同的，一般说来，导热系数值以金属最大，非金属次之，液体较小，而气体更小。对于同一种材料，内部结构不同，导热系数也差异很大，一般结晶结构的为最大，微晶体结构的次之，玻璃体结构的最小。但对于多孔的绝热材料来说，由于孔隙率高，气体〔空气〕对导热系数的影响起着主要作用，而固体局部的结构无论是晶态或玻璃态对其影响都不大。表观密度与孔隙特征：由于材料中固体物质的导热能力比空气要大得多，故表观密度小的材料，因其孔隙率大，导热系数就小。在孔隙率相同的条件下，孔隙尺寸愈大，导热系数就愈大；互相连通孔隙比封闭孔隙导热性要高。对于表观密度很小的材料，特别是纤维状材料〔如超细玻璃纤维〕，当其表观密度低于某一极限值时，导热系数反而会增大，这是由于孔隙增大且互相连通的孔隙大大增多，而使对流作用加强的结果。因此这类材料存在一最正确表观密度，即在这个表观密度时导热系数最小。湿度：材料吸湿受潮后，其导热系数就会增大，这在多孔材料中最为明显。这是由于当材料的孔隙中有了水分后，孔隙中蒸汽的扩散和水分子的热传导将起主要传热作用，而水的λ为0.58Ｗ／〔ｍ·Ｋ〕，比空气的λ=0.023Ｗ／〔ｍ·Ｋ〕大20倍左右。如果孔隙中的水结成了冰，那么冰的λ=2.2Ｗ／〔ｍ·Ｋ〕，其结果使材料的导热系数更加增大。故绝热材料在应用时必须注意防水避潮。温度：材料的导热系数随温度的升高而增大，但这种影响，当温度在０～50℃范围内时并不显著，只有对处于高温或负温下的材料，才要考虑温度的影响。热流方向：对于各向异性的材料，如木材等纤维质的材料，当热流平行于纤维方向时，热流受到阻力小，而热流垂直于纤维方向时，受到的阻力就大。11.2.1常用无机绝热材料多孔轻质类无机绝热材料蛭石是一种有代表性的多孔轻质类无机绝热材料，它主要含复杂的镁、铁含水铝硅酸盐矿物，由云母类矿物经风化而成，具有层状结构。将天然蛭石经破碎、预热后快速通过煅烧带可使蛭石膨胀20～30倍。膨胀蛭石的导热系数约为0.046～0.070W/m·K，可在1000℃的高温下使用。主要用于建筑夹层，但需注意防潮。膨胀蛭石也可用水泥、水玻璃等胶结材胶结成板，用作板壁绝热，但导热系数值比松散状要大，一般为0.08～0.10W/m·K。蛭石隔热板11.2常用绝热材料纤维状无机绝热材料矿物棉

岩棉和矿渣棉统称矿物棉，由熔融的岩石经喷吹制成的纤维材料称为岩棉，由熔融矿渣经喷吹制成的纤维材料称为矿渣棉。将矿物棉与有机胶结剂结合可以制成矿棉板、毡、管壳等制品，其堆积密度约为45～150kg/m3，导热系数约为0.049～0.044W/m·K。由于低堆积密度的矿棉内空气可发生对流而导热，因而，堆积密度低的矿物棉导热系数反而略高。最高使用温度约为600℃。矿棉也可制成粒状棉用作填充材料，其缺点是吸水性大、弹性小。矿物棉保温制品矿物棉保温制品玻璃纤维

玻璃纤维一般分为长纤维和短纤维。短纤维相互纵横交错在一起，构成了多孔结构的玻璃棉，常用于作绝热材料。玻璃棉堆积密度约45～150kg/m3，导热系数约为0.041～0.035W/m·K。玻璃纤维制品的纤维直径对其导热系数有较大影响，导热系数随纤维直径增大而增加。以玻璃纤维为主要原料的保温隔热制品主要有：沥青玻璃棉毡和酚醛玻璃棉板，以及各种玻璃毡、玻璃毯等，通常用于房屋建筑的墙体保温层。玻璃纤维制品泡沫状无机绝热材料泡沫玻璃

泡沫玻璃是用玻璃细粉和发泡剂〔石灰石、碳化钙和焦炭〕经粉磨、混合、装模、煅烧〔800℃左右〕而得到的多孔材料。泡沫玻璃导热系数小、抗压强度高、抗冻性好、耐久性好，并且对水分、水蒸汽和其它气体具有不渗透性，还容易进行机械加工，可锯、钻、车及打钉等。表观密度为150～200kg/m3的泡沫玻璃，其导热系数约为0.042～0.048W/m·K，抗压强度达0.55～0.16MPa。泡沫玻璃作为绝热材料在建筑上主要用于保温墙体、地板、天花板及屋顶保温。可用于寒冷地区建筑低层的建筑物。多孔混凝土

多孔混凝土是指具有大量均匀分布、直径小于2mm的封闭气孔的轻质混凝土，主要有泡沫混凝土和加气混凝土。随着表观密度减小，多孔混凝土的绝热效果而增加，但强度下降。吸声泡沫玻璃聚氨酯硬质泡沫塑料吸声泡沫玻璃聚氨酯硬质泡沫塑料11.2.2常用有机绝热材料泡沫塑料

泡沫塑料是以各种树脂为基料，参加各种辅助料经加热发泡制得的轻质保温材料。泡沫塑料目前广泛用作建筑上的保温隔音材料，其表观密度很小，隔热性能好，加工使用方便。常用的泡沫塑料有聚苯乙烯泡沫塑料、脲醛泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料、聚氯乙烯泡沫塑料、泡沫酚醛塑料等。硬质泡沫橡胶

硬质泡沫橡胶用化学发泡法制成。特点是导热系数小而强度大。硬质泡沫橡胶的表观密度在0.064～0.12g/cm3之间。表观密度越小，保温性能越好，但强度越低。硬质泡沫橡胶的抗碱和盐的侵蚀能力较强，但强的无机酸及有机酸对它有侵蚀作用。它不溶于醇等弱溶剂，但易被某些强有机溶剂软化溶解。硬质泡沫橡胶为热塑性材料，耐热性不好，在65℃左右开始软化。硬质泡沫橡胶有良好的低温性能，低温下强度较高且较好的体积稳定性，可用于冷冻库。请观察常用绝热材料的微观结构特点，如以下图所示。并分析如何可获得具此类微观结构特点的绝热材料。观察与讨论讨论绝热材料微观结构

讨论：绝热材料一般系轻质、疏松多孔的，且孔隙最好不连通，可为松散颗粒或纤维状，欲获得此类绝热材料，可从以下几方面着手：

①利用天然多孔或纤维状的材料为主要组成材料，如软木、浮石、甘蔗板等；

②在材料中掺入加气剂或者泡沫剂以形成多孔结构，如加气混凝土、泡沫塑料等；

③在材料中参加能被烧去或于高温下可分解出气体而形成多孔的材料，如多孔套陶瓷；

④材料本身在高温下自行膨胀为多孔结构，如膨胀珍珠岩、膨胀蛭石。某冰库绝热采用多种绝热材料、多层隔热，以聚苯乙烯泡沫作为墙体隔热夹芯板，在内墙喷涂聚胺酯泡沫层作绝热材料，取得良好的效果。分析应用于墙体、屋面或冷藏库等处的绝热材料有哪些？案例分析分析内墙喷涂聚胺酯泡沫层聚苯乙烯泡沫夹心板分析：应用于墙体、屋面或冷藏库等处的绝热材料包括有：以酚醛树脂粘结岩棉，经压制而成的岩棉板；以玻璃棉、树脂胶等为原料的玻璃棉毡；以碎玻璃、发泡剂等经熔化、发泡而得的泡沫玻璃；以水泥、水玻璃等胶结膨胀蛭石而成的膨胀蛭石制品；或者以聚苯乙烯树脂、发泡剂等经发泡而得的聚苯乙烯泡沫塑料等材料。其中岩棉板、膨胀蛭石制品和聚苯乙烯泡沫塑料等绝热材料还可应用于热力管道中。

材料吸声的原理及技术指标声音起源于物体的振动，它迫使邻近的空气跟着振动而成为声波，并在空气介质中向四周传播。当声波遇到材料外表时，一局部被反射，另一局部穿透材料，其余的局部那么传递给材料，在材料的孔隙中引起空气分子与孔壁的摩擦和粘滞阻力，其间相当一局部声能转化为热能而被吸收掉。这些被吸收的能量〔Ｅ〕〔包括局部穿透材料的声能在内〕与传递给材料的全部声能〔E0〕之比，是评定材料吸声性能好坏的主要指标，称为吸声系数〔α〕，用公式表示为11.3吸声材料概述吸声系数与声音的频率及声音的入射方向有关。因此吸声系数用声音从各方向入射的吸收平均值表示，并应指出是对哪一频率的吸收。通常采用常用规定的六个频率：125、250、500、1000、2000、4000Hz。任何材料对声音都能吸收，只是吸收程度有很大的不同。通常是将对上述六个频率的平均吸声系数大于0.2的材料，列为吸声材料。吸声材料大多为疏松多孔的材料，如矿渣棉、毯子等，其吸声机理是声波深入材料的孔隙，且孔隙多为内部互相贯穿的开口孔，受到空气分子摩擦和粘滞阻力，以及使细小纤维作机械振动，从而使声能转变为热能。这类多孔性吸声材料的吸声系数，一般从低频到高频逐渐增大，故对高频和中频的声音吸收效果较好。影响多孔性材料吸声性能的因素材料的表观密度：对同一种多孔材料〔例如超细玻璃纤维〕而言，当其表观密度增大时〔即空隙率减小时〕，对低频的吸声效果有所提高，而对高频的吸声效果那么有所降低。材料的厚度：增加多孔材料的厚度，可提高对低频的吸声效果，而对高频那么没有多大的影响。材料的孔隙特征：孔隙愈多愈细小，吸声效果愈好。如果孔隙太大，那么效果就差。如果材料中的孔隙大局部为单独的封闭的气泡〔如聚氯乙烯泡沫塑料〕，那么因声波不能进入，从吸声机理上来讲，就不属多孔性吸声材料。当多孔材料外表涂刷油漆或材料吸湿时，那么因材料的孔隙被水分或涂料所堵塞，其吸声效果亦将大大降低。木质吸音板装饰吸声板11.4.1多孔吸声材料分类：多孔吸声材料是普遍应用的吸声材料，包括纤维状、颗粒状和泡沫状，其对低频声的吸收比较差。构造特征：材料从表到里具有大量内外连通的微小间隙和连续气泡，有一定的通气性。这些结构特征和隔热材料的结构特征有区别，隔热材料要求的是封闭的微孔。纤维材料：玻璃棉、超细玻璃棉、岩棉、矿棉等无机纤维，棉、毛、麻、棕丝、草质或木质纤维等有机纤维。纤维材料有的直接以松散状使用，有时可用粘着剂制成毡片或板材，如玻璃棉毡、岩棉板、草纸板、木丝板、软质纤维板等等。微孔吸声砖等也属于多孔吸声材料。泡沫塑料如果其中的孔隙相互连通并通向外表，可作为多孔吸声材料。11.4常用吸声材料及结构共振吸声结构包括单个共振器、穿孔板共振吸声结构、薄板共振吸声结构，常采用共振吸声原理来解决低频声的吸收。采用薄板钉牢在靠墙的木龙骨上，薄板与板后的空气层构成薄板共振吸声结构。共振吸声结构装饰性强并有足够的强度，故在建筑物中使用比较广泛。11.4.2共振吸声结构空间吸声体：它是共振吸声结构和多孔吸声材料的结合，可预先制作，可根据不同的使用场合和条件，因地制宜地设计成各种形式，同时具吸声及艺术效果。强吸声结构：常用于消声室等特殊场合。还有其他一些吸声结构如吸声尖劈等。11.4.3其他吸声结构1.材料导热系数越大，表示其绝热性能越好。课堂练习2.隔声材料也必是吸声材料。3.一般而言，材