12绝热材料和吸声材料

第12章绝热材料与吸声材料—定义绝热材料是指用于建筑围护结构或热工设备、阻抗热流传递的材料或材料复合体。既包括保温、隔热材料，又包括保冷材料。—使用绝热材料的意义满足建筑空间或热工设备的冷、热环境。节约能源。通过使用绝热围护材料，可在现有根底上节能50%-80%。日本的节能实践证明，使用1吨节能材料可节约标准煤3吨/年，其节能效益是材料生产本钱的10倍。—用途民用建筑、温室或冷库、工业窑炉、锅炉、热工容器和管道等。1.传热学根底传热的根本方式传热是指热量从高温区向低温区的自发流动，是一种由于温差而引起的能量转移现象。热量传递的方式：导热对流热辐射热传递机理—〔1〕热传导t2t1热传导：通过分子的热运动或原子、自由电子等微观粒子的运动来进行热传递。热传递机理—〔2〕对流t2t1对流：对流仅发生于流体中，它是指由于流体的宏观运动使流体各局部之间发生相对位移而导致的热量传递过程。辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。物体因各种原因发出辐射能，其中因热的原因发出辐射能的现象称为热辐射。与热传导和对流传热不同，辐射传热无须借助中间介质的存在来传递热量，可以在真空中传递。热传递机理—〔3〕热辐射热源两个物理量——λ、C导热系数λ〔W/m·k〕—厚度为1m的材料，当温度每改变1K时，在1h时间内通过1m2面积的传热量。xt1t2QQ传热面积传热时间固体材料的导热系数有相当重要的实际和理论意义。高炉和锅炉的设计需要知道隔热材料从高温到环

境温度的导热系数数据；核反响堆中燃料元件的最高使用温度直接与其导热系数有关；航空和宇航应用方面所遇到的极限温度环境，燃料的低温存储等都需要准确知道材料的导热系数。λ↑≡导热能力强；λ↓≡绝热性能好

材料的比热容—质量为1g的材料，当温度升高或降低1K时所吸收或放出的热量。

C—材料的比热容，J/(g·K)；Q—材料吸收或放出的热量，J；m—材料的质量，g；T2-T1—材料受热或冷却前后温差，K

材料导热系数和热容量是设计建筑围护结构〔墙体、屋面〕进行热工计算的重要参数，设计时应选用导热系数较小而比热容较大的建筑材料，以使建筑物保持室内温度的稳定性。定义——控制室内热量外流的材料叫做保温材料防止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。〔λ＜0.175W/m·K〕。绝热材料的选用——导热系数λ＜0.175W/m·K，表观密度＜600kg/m3，抗压强度＞0.3MPa2.绝热材料绝大多数建筑材料的导热系数介于0.029-3.49W/m·K之间。应该指出，即使是同一种材料，其导热系数也并不是常数，与材料的湿度等因素有关。几种典型材料的热工性质材料导热系数λ（W/m·k）比热容c（103×J/kg·K）铜3700.38钢550.45花岗岩2.90.80钢筋混凝土1.740.92加气混凝土砌块0.221.158水泥砂浆0.931.05烧结普通砖0.550.84松木（横纹）0.151.63冰2.202.05水0.604.19静止空气0.0291.00膨胀聚苯板0.042－挤塑聚苯板0.0311.38聚氨酯硬泡沫塑料0.033－绝热材料的根本类型多孔型绝热机理——材料孔隙中空气的导热系数(0.029W/m·K)大大小于固体的导热系数，同时孔隙的存在使热量在固相中的传递路线增加，从而传热阻力增加，传热速度大为减缓。t1t2Q导热：主辐射：小对流：小

纤维型:绝热性能与纤维布置的方向有关t2t1对于纤维质材料，不同方向上导热的性能不同：〔A〕与纤维垂直的方向上，导热系数较低，绝热性能好At1t2Q对于纤维质材料，不同方向上导热的性能不同：〔B〕与纤维平行的方向上，导热系数较高，绝热性能要差些t2t1B

纤维型:绝热性能与纤维布置的方向有关

反射型Io—外来热辐射能量；IB—反射的能量；IA—吸收的能量IoIBIA热辐射的吸收性能-吸收率A热辐射的反射性能-反射率B由A+B=1可以看出，但凡反射能力强的材料，吸收热辐射的能力就小；反之，吸收能力强，那么其反射率就越小绝热材料的性能1.导热系数及其影响因素材料的物质构成——化学组成和分子结构比较简单的物质比结构复杂的物质的导热系数要大。λ有机高分子＜λ无机材料；λ非金属＜λ金属孔隙率——可将孔隙或空隙中的气体视为无对流的静止空气。①孔隙率↑≡表观密度↓≡λ↓②在表观密度相同的情况下，孔隙尺寸↓≡λ↓③孔隙体积大到一定程度后，由于空气对流的出现，λ↑

温度——由于辐射热的影响，多孔材料的导热系数一般随温度的升高而增大。

湿度——λ水＞λ静止空气→湿度↑≡λ↑λ气态＜λ液态＜λ固体

热流方向——对于各向异性的材料，不同方向上的导热系数各不相同，有时差异很大。2.温度稳定性——指材料在受热作用下保持原有性能不变的能力，通常用其不致丧失绝热性能的极限温度来表示。3.吸湿性——指绝热材料从潮湿环境中吸收水分的能力。4.强度——通常采用抗压和抗折强度来表示，一般不宜将绝热材料用于承受外界载荷部位。

常用绝热材料

绝热材料的成分类型大类类亚类举例无机绝热材料金属黑色金属不锈钢板有色金属铝箔、铜箔非金属天然矿物浮石、火山渣、硅藻土、石棉、海泡石加工矿物膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、陶粒与陶砂、泡沫石棉、泡沫石膏、泡沫粘土、泡沫菱苦土、炭化石灰合成材料微孔硅酸钙、微孔铝酸钙、微孔碳酸镁、泡沫玻璃、加气混凝土、泡沫水泥、岩棉、玻璃棉、硅酸铝棉、泡沫水玻璃、中空玻璃工业废渣膨胀矿渣、炉渣、粉煤灰、废砖瓦绝热材料的成分类型—续有机绝热材料动植物软木、纸屑、木屑、刨花、麦糠、稻壳、玉米芯、芦苇、蔓草、棉花、羊毛矿物泡沫沥青合成高分子泡沫聚苯乙烯、泡沫聚氨酯、泡沫尿醛树脂、泡沫酚醛树脂、泡沫橡胶、钙塑绝热板复合绝热材料金属与无机非金属复合镀膜玻璃金属与有机材料复合铝塑反射板、铝箔夹心隔热膜有机与无机非金属复合吸热涂层玻璃板

绝热材料的结构类型大类类举例纤维状天然石棉与石棉制品、动物纤维、植物纤维人造岩棉与岩棉制品、矿棉及其制品、玻璃棉及其制品、硅酸铝棉及其制品、化学纤维与纤维植物散粒状天然浮石、火山渣、硅藻土、矿渣、植物碎屑人造膨胀珍珠岩及其制品、膨胀蛭石及其制品、陶粒与陶粒制品、空心氧化铝球及其制品微孔状天然硅藻土、沸石岩泉华、软木人造加气混凝土、泡沫水泥、泡沫石膏、泡沫粘土、泡沫菱苦土、泡沫水玻璃、泡沫玻璃、泡沫塑料、微孔硅酸钙、微孔磷酸钙微孔碳酸钙层状天然木板人造塑料板、吸热玻璃板、铝膜、镀膜玻璃、中空玻璃蜂窝夹心板空腹门窗

绝热材料的工艺类型大类类举例加工型破碎型风选石棉、浮石、炉渣、木渣等烧胀型膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、陶粒与陶砂等烧结型粉煤灰陶粒、烧结氧化铝空心球砖烧失型硅藻土砖、泡沫粘土砖胶结型水泥、石膏、水玻璃、沥青等胶结的各种膨胀珍珠岩和膨胀蛭石制品分散型泡沫石棉合成型熔制型岩棉、矿棉、玻璃棉、硅酸铝棉、熔制型泡沫玻璃等烧结型烧结型微孔玻璃胶凝型泡沫水泥、泡沫石膏、泡沫菱苦土、泡沫水玻璃、微孔铝酸钙、微孔硅酸钙、加气混凝土等交联型各种泡沫塑料复合型混合型硅酸盐保温涂料、石棉硅钙板、炭化石灰板复层型蜂窝夹心板、铝箔夹心板拼装型中空玻璃

散粒状绝热材料—散粒状绝热材料主要利用颗粒内部的孔隙与颗粒之间的空隙阻止热流的传递。膨胀珍珠岩及其绝热制品物理性能：白色，微孔结构，散粒状构造；微孔尺寸：1-10μm级；颗粒尺寸：0.15-2.5mm；常温导热系数：0.042-0.076W/(m·K);平安使用温度：-200～1000℃。根本绝热原理——珍珠岩属于玻璃质材料，在其软化温度范围内，表现出很高的粘滞性，既能发生显著的变形而不破裂，又可阻止气体外逸。此时其内的化学结合水发生蒸发，在珍珠岩流体中产生大量的气泡，粘滞的软化体随气泡的不断生成与长大发生显著的体积膨胀。在气孔长大到一定程度但尚无合并之时迅速冷却，气泡将保存于膨胀的珍珠岩颗粒内部，形成微孔构造。

生产工艺

原材料及技术要求—珍珠岩是酸性含水火山玻璃质岩石的总称，主要包括珍珠岩、黑耀岩、松脂岩三种岩石，由火山喷发急速冷却而成。—珍珠岩的质量等级:在工业上除要求SiO2应占70%左右，H2O占4%~6%，Fe2O3+FeO＜2.0%外，主要通过其物理性质—膨胀倍数划分质量等级。料粒制备水分调整烧胀制品加工冷却筛分实验室简易焙烧膨胀倍数K0与工业焙烧膨胀倍数Ks比照等级堆积密度（kg/m3）K0(倍)Ks(倍)Fe2O3+FeO用途Ⅰ≤80≥3.5≥15＜1.0生产优质膨胀珍珠岩Ⅱ≤150≥2.5≥8＜2.0轻骨料Ⅲ≤250≥2.0≥3泡沫玻璃化学成分质量百分比化学成分质量百分比SiO268.0~75.0MgO0.4~1.0TiO20.1~0.1CaO1.0~2.0Al2O39.0~14.0Na2O2.5~5.0Fe2O30.9~4.0K2O1.5~4.5FeO0.5~0.7P2O50.01~0.04MnO0.03~0.05H2O3.0~6.0珍珠岩的化学成分范围

膨胀珍珠岩的技术要求技术指标单位产品分类ⅠⅡⅢ堆积密度kg/m3＜8080~150150~200粒度质量%粒径大于2.5mm:≤5%粒径小于0.15mm:≤8%粒径小于0.15mm：

≤8%粒径小于0.15mm：

≤8%导热系数W/m.K＜0.0520.052~0.0640.064~0.076含水率质量%＜2＜2＜2

膨胀珍珠岩制品

膨胀珍珠岩制品的生产工艺后处理配料搅拌压制成型成品固化处理

水泥膨胀珍珠岩制品典型配方胶结剂品种强度≥32.5MPa体积配合比胶结剂/膨胀珍珠岩水灰比压缩比松散体积/制品体积硅酸盐

水泥1:10~1:142.11.6~1.8低钙铝酸盐水泥1:3~1:100.7~1.71.5~1.8高铝水泥1:8~1:101.71.6~2.0

典型膨胀珍珠岩制品工艺—水泥基：配合料经干拌后加水搅拌成颜色均匀一致，无结团的半干料，经压机压制成型后，保湿养护6~10天以上〔或85~90℃蒸气养护6~12h〕，自然枯燥即得产品。—石膏基：无须保湿养护，采用半干法成型直接枯燥而成。可在建筑工地随做随用，但耐水性不良，主要用于室内。—水玻璃基：水玻璃:膨胀珍珠岩:赤泥〔质量比〕=43.6:54.6:1.8，成型压力0.4-0.5MPa，成型后的坯体在50-110℃的条件下烘干，然后送入550-650℃的窑炉进行焙烧。—磷酸盐基：以膨胀珍珠岩作骨料，以铝酸铝和少量的硫酸铝、纸浆废液作胶结剂，经配料、搅拌、成型、焙烧制成。制品湿物料质量比：膨胀珍珠岩45.5；磷酸铝溶液34.1；硫酸铝溶液11.3；纸浆废液9.1膨胀珍珠岩制品胶结剂类型表观密度kg/m3σ压MPa导热系数W/m.K使用温度℃特点水泥250~4000.3~0.50.058~

0.087耐酸性较弱水玻璃200~3000.5~1.20.048~

0.074≤650耐酸性强，耐水性弱磷酸盐200~2500.5~1.00.038~

0.045≤1000耐热性强乳化沥青300~3500.3~0.50.07~

0.09≤90吸水率低，耐水性强硅酸盐300~4500.3~0.50.07~

0.12≤400绝热性能相对较差碳酸盐200~3500.3~0.80.065~

0.15≤650典型膨胀珍珠岩制品的物理力学性能

珍珠岩粒度的性质及其影响因素密度：散粒的堆积密度一般为50~150kg/m3，总孔隙率为90%~98%。粒度为0.1~0.8mm的颗粒具有最小的堆积密度和最大的孔隙率。导热系数：λ∝堆积密度。当0.1~0.8mm的颗粒含量在50%以上时，其λ不会大于0.052W/m.K。在真空状态下，越细的颗粒，λ越小。耐热性：膨胀珍珠岩的耐火度为1280-1360℃。但散粒绝热材料主要是利用颗粒的多孔结构，随着温度↑≡多孔结构发生变形≡绝热性能↓乃至丧失。膨胀珍珠岩的平安使用温度一般为800℃。吸水量：膨胀珍珠岩的吸水量可达本身质量的2-9倍，其吸水速度在15min内质量吸水率可达300%-400%，体积吸水率可达28%-30%。吸水引起强度下降，绝热性能降低。

特点——有机微孔状绝热材料，有天然的软木、铜木等，但主要是指泡沫塑料和泡沫橡胶制品。与无机微孔状绝热材料相比，有机微孔状绝热材料具有质量轻、导热系数小、耐水抗渗、耐腐蚀、耐低温、弹性好，尺寸稳定，加工安装方便等特点，但耐热性较差。

有机微孔状绝热材料聚苯乙烯泡沫塑料—聚苯乙烯泡沫塑料简称EPS，是以聚苯乙烯树脂为主要原料，经发泡剂发泡而制成的一种内部有无数封闭微孔的材料，广泛用于建筑绝热和低温管道工程保冷。—特点：表观密度小〔20~50kg/m3〕，导热系数低，〔0.031-0.045W/m·K〕，吸水率小〔＜0.1%〕，隔音性能及耐冲击性能好，尺寸精度高、结构均匀，耐热温度70~80℃，遇火能自行熄灭。可发性聚苯乙烯珠粒的原料配合比原料作用技术要求用量备注聚苯乙烯珠粒颗粒主体分子量55000，挥发物<0.5%100丁烷发泡剂工业级10水自来水160肥皂粉分散剂工业级5过氧化二异丙苯增效剂工业级0.82、6—叔丁基对甲酚抗氧剂工业级0.3二苯甲酮紫外线吸收剂工业级0.2四溴乙烷阻燃剂体积质量2.7~2.91.5生产自熄性泡沫塑料时加入

现代隔热技术低温和超低温隔热——大量使用纤维隔热材料、多孔隔热材料和空气层式隔热材料。隔热方式中，辐射隔热〔特别是真空反射隔热〕占很重要的地位。高温和超高温隔热吸收隔热——利用材料本身具有较大的热容和热导而将热量吸收和导出，要求材料比热大，热容高，熔点高，通常只用在热通量低和时间较短的情况下。辐射隔热——利用材料外表热物理性能的特殊隔热方式。加涂热辐射涂层的难熔金属〔红外波段内的高发射物质，如炭化硅、氧化铬等〕，可用于辐射隔热的目的。发汗隔热——通过耐高温多孔外表材料的毛细管进行发汗实现隔热，发汗材料可以是气体，也可以是液体。发汗在理论上可以应付无限大的热通量，但结构复杂而笨重。烧蚀隔热——以消耗物质来换取隔热效果的隔热方式，它是利用材料的分解、解聚熔化、蒸发、气化等化学物理过程移走大量的热来到达防热的目的。评价烧蚀材料优劣的一个重要指标是烧蚀热〔一般总热通量超过5万kcar/m2以上，使用烧蚀材料均能较好地满足要求〕。泡沫陶瓷高辐射涂层纤维隔热材料金属结构金属蜂窝烧蚀材料粘结材料蜂窝结构隔热材料

复合隔热结构

提高材料绝热性能的途径使用表观密度较低的材料，尽量使其表观密度符合绝热最正确密度。使用有机高分子材料或无定型的无机材料。在表观密度一定的情况下，使材料内部空隙数量尽可能多，体积尽可能小，且互不连通。

当利用空气夹层隔热时，应使夹层尽量小，以防止对流的出现。如采用蜂窝结构比大平壁中空结构的导热系数小；夹层内填充微孔材料，由于减少辐射换热，其导热系数又比蜂窝结构小。

当使用遮热板绝热时，可选择反射率高、发射率低的材料。

采用真空化处理或充填导热系数小于空气的气体。12.2吸声、隔声材料12.2.1吸声材料及吸声结构(1)多孔吸声材料多孔吸声材料与绝热材料的异同(2)柔性吸声材料(3)帘幕吸声体第12章绝热材料和吸声材料(4)悬挂空间吸声体(5)薄板振动吸声结构(6)穿孔板组合共振吸声结构当一个声源发出的噪声声波影响到其周围的区域时，可以在声音的传播途径上设置一些固体材料，如果声音不能透过这些材料继续传播，或在透过这些材料时声能有很大的损失，那么称这些材料为隔声材料。声音在通过隔声材料时产生的能量损失，称为透射损失，其大小用透射系数τ来衡量。一般门、窗、墙体材料的透射系数的值在10－1到10－5之间，数值越小，表示所能透射过去的声能越少，隔声性能也就越好。12.2.2隔声材料通常用隔声量来衡量材料或结构的隔声性能。隔声量的实际意义就是隔声材料或结构两侧声压级的差值。与透射系数相反，材料或结构的隔声量越大，其隔声性能越好。

12.2.2隔声材料如果不考虑墙体的边界条件，同时还假设墙体各个局部的作用是相互独立的，墙体和楼板对空气的隔声量，主要取决于它们单位面积的重量〔即面密度kg/m2〕和声音的频率，墙体和楼板的面密度越大，透射的声能越少，这就是通常所说的“质量定律〞。12.2.2隔声材料“质量定律〞说明：当面密度增加一倍〔或者说对于材料，其厚度加倍〕，隔声量提高6dB；同时频率加倍〔即对于每一倍频带〕，隔声量增加6dB。但是这个简单的质量定律并不完全正确，因为墙体出现的吻合效应、共振等现象将会改变其隔声特性。吻合效应就是当入射到墙体的声波的波长与墙体本身固有的弯曲波的波长相吻合时，材料与声波将产生共振，此时墙体的隔声量急剧下降。－－出现吻合效应的最低频率称为吻合临界频率－－取决于材料的弹性模量和密度12.2.2隔声材料12.2.2隔声材料隔绝的声音按传播的途径可分为空气声和固体声隔空气声隔固体声吸声材料与隔声材料的区别隔声材料要求外表密实，对声波有较强反射，使透射声波减小；吸声材料一般外表多孔疏松，对入射声波具有较强吸收和透射，使反射声波减小。吸声材料因其多孔、疏松、质轻而隔声性能不好。根据声学质量定律，材料单位面积的质量越大，越不易振动，那么隔声效果就好。如密实沉重的粘土砖、钢筋混凝土等材料的隔声效果比较好，但其吸声效果不佳。思考题(1)何谓绝热材料?建筑上使用绝热材料有何意义?(2)绝热材料为什么总是轻质的?使用时为什么一定要防潮?(3)试述含水量对绝热材料性能的影响。(4)何谓吸声材料?材料的吸声性能用什么指标表示?(5)吸声材料与隔声材料有什么区别?岩棉及矿渣棉岩棉：熔融岩石喷吹制成矿渣棉：熔融矿渣喷吹制成岩棉和矿渣棉统称矿物棉表观密度为45-150kg／m3，导热系数为0.049-0.044W／m·K缺点：吸水性大，弹性小玻璃棉玻璃棉：用压缩空气将融化后从流口流出的玻璃喷吹形成的乱向玻璃纤维。表观密度为10－120kg／m3，导热系数为0.041-0.035W／m·K膨胀蛭石蛭石：一种复杂的镁、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。膨胀蛭石：将天然蛭石破碎、预热后快速煅烧，使蛭石膨胀20-30倍表观密度87-900kg／m3，导热系数为0.046－0.07W／m·K膨胀珍珠岩珍珠岩：由地下喷出的熔岩在地表水中急冷而成，具有类似玉髓的隐晶结构。膨胀珍珠岩：将珍珠岩砂破碎、预热后，快速煅烧，使体积膨胀约20倍堆积密度为40－500kg／m3，导热系数为0.047－0.07W／m·K微孔硅酸钙微孔硅酸钙：以石英砂、普通硅石或活性高的硅藻土以及石灰为原料经过水热合成。以托贝莫来石为主要水化产物的微孔硅酸钙，其表观密度约为200kg／m3，导热系数约为0.047W／m·K；以硬硅钙石为主要水化产物的微孔硅酸钙，其表观密度约为230kg／m3，导热系数约为0.056W／m·K。泡沫玻璃泡沫玻璃：用玻璃粉和发泡剂配成的混合料经煅烧得到的多孔材料。气相体积占80％-95。发泡气体：碳酸气、一氧化碳、硫化氢、氧气、氮气等。气孔是独立的。表观密度为150-600kg／m3，导热系数为0.058-0.128W／m·K陶瓷纤维陶瓷纤维：采用氧化硅、氧化铝为原料，经高温熔融、喷吹制成。表观密度为140-190kg／m3，导热系数为0.044-0.049W／m·K热反射玻璃热反射玻璃：在平板玻璃外表采用一定方法涂敷金属或金属氧化膜制得。热反射率达