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1、超低温保温材料 超低温保温材料研究背景 保温机理 超低温工程中的超级保温材料设计 01 02 03 目录 CONTENTS 超低温保温材料研究背景 简介保温材料： 工程上习惯把导热系数很小的材料称 为保温材料。保温材料的结构基本上可分 为纤维状结构、多孔结构、粒状结构或层 状结构。这些结构的基本特点是具有高的 空隙率。热量传递包括以下几种：结构实 体的导热；穿过微小空隙的导热与对流（ 高温时还有辐射）。 超低温保温材料研究背景 超低温保温材料： 环境温度低于-150，一般称为超低温。而随着温度降低，物质会出现超低温现象，这些现 象被广泛应用在钢铁工业、农业、液态空气工业、宇宙航行等方面。随着生
2、活水平的提高，人 们对冷冻的要求也提高了。同时面临能源危机的威胁，节能已经成为一个世界性的课题。伴随 着制冷技术的日益成熟，制冷机组的效率也日益提高，制冷性能已经达到优良。然而在保温方 面，由于保温材料的滞后，冷量泄露造成的能量损失成为了能量流失的主要方面。因此研究高 保温材料迫在眉睫。 超低温保温材料研究背景 保温机理 超低温工程中的超级保温材料设计 01 02 03 目录 CONTENTS 保温机理常见保温材料分类 常见保温材料 多孔型保温材料纤维型保温材料反射型保温材料 保温机理多孔型保温材料 当热量Q从高温面向低温面传递时，在碰到气孔前，传递过 程为固相中的导热，在碰到气孔后，一条路线
3、仍然是通过固相传 递，但其传热方向发生了变化，总的传热路线大大增加，热阻增 大，从而使传递速度减缓；另一条路线是通过气孔内气体的传热 ，其中包括高温固体表面对气体的辐射和气体自身的热对流、气 体的导热、热气体对冷固体表面的辐射及对流传热以及热固体表 面和冷固体表面的辐射传热。由于在常温下对流以及辐射的传热 热量在总传热热量中占得比例很小，故以气孔中的气体的导热为 主，但由于空气的导热系数仅为0.029W(MK)，远远小于固体 的导热系数，故热量通过气孔传递的阻力较大，从而传热速度大 大减缓。这就是含有大量气孔材料能起到保温隔热作用的原因。 保温机理纤维型保温材料 纤维型保温材料的保温机理基本上
4、与多孔型保 温材料类似，如图温度梯度与纤维方向相垂直 时，材料保温性能比两者相平行时好。 保温机理反射型保温材料 当外来的热辐射能量投射到物体（不透明）上时，通 常会将其中一部分能量反射掉，另一部分能量被吸收 掉。根据能量守恒定律，凡善于反射的材料，吸收热 辐射的能力就小；反之，如果吸收能力强，则其反射 率就小。故利用某些材料对热辐射的反射作用，如铝 箔的反射率为0.95，在需要保温隔热的部位贴上这种 材料，可以将绝大部分外来热辐射反射掉，起到隔热 作用。 IO I IB 主要影响 因素 材料的化学结构、组成和聚集状态 材料的容积 重量 湿度温度热流方向 保温机理影响材料导热系数的主要因素 保
5、温机理化学结构、组成和聚集状态 材料的分子结构不同，其导热系数有很大的差别 ，通常结晶构造的材料导热系数最大，微晶体构造的次 之，玻璃体构造的导热系数最小。材料中有机物组分增 加，其导热系数降低。对于多孔保温材料来说，无论固 体部分的结构是晶体的还是玻璃体的，对导热系数影响 都不大。因为这些材料的孔隙率很高，颗粒或纤维之间 充满空气，此时，气体的导热其主要作用，固体部分的 影响也就减少了。 保温机理化学结构、组成和聚集状态 因此，为了获得导热系数较低的材料，可通过改变其 分子结构的办法：如将熔融的高炉矿渣通过不同的冷 却速度，可形成分子结构个不相同的材料，其中通过 聚冷所得到的高炉膨胀渣珠具有
6、玻璃体构造的分子结 构，其导热系数为0.2W/（mk），是一种较好的保温 隔热材料。 保温机理材料的容积重量 由于材料中固体物质的导热能力比空气大得多，故孔 隙率较高、容积重量较小的材料，其导热系数也越小。材料 的导热系数不仅与材料的孔隙率有关，而且还与孔隙率的大 小和特征有关。在孔隙率相同的条件下，孔隙尺寸越大，导 热系数越大，因为太大的孔隙不仅孔壁温差较大，而且辐射 传热量加大的同时，大孔隙内的对流传热也增多，孔隙互相 连通比封闭而不连通的导热系数大。此外，对于容积重量很 小的材料。特别是纤维状的材料，当容积重量低于某一极限 时，导热系数反而增大，这是由于孔隙率过大，相互连通的 孔隙率增多
7、，对流传热增加，从而导致导热系数增大。因此 对于每一种保温材料材料，都存在最佳容重。 石墨烯保温材料 保温机理湿度 环境湿度大，材料的含水率提高。由于水的导热系数比静态空气的导热系数高数十倍，保 温材料吸湿后导热系数增大。如果孔隙中的水分冻结成冰，冰的导热系数是水的四倍，材料的 导热系数将更大。因此，保温材料应尽选用吸水性小的原材料，同时保温材料在使用过程中， 应注意防潮、防水。 保温机理温度以及热流方向 材料的导热系数随着温度的升高而增大。因为温度升高，材料固体分子热运动增强，同时 ，材料孔隙中空气的导热和孔隙间的辐射作用增强，所以，材料孔隙中空气的导热系数增大。 对于各种异性材料，如木材等
8、纤维质材料。当热流平行于纤维延伸方向时，受到的阻力较 小，导热系数就大；当热流垂直于纤维延伸方向时，受到的阻力较大，导热系数小。如以松木 的导热系数为例，当热流垂直于木纹时，导热系数为0.175W/（mk）；而当热流平行于木纹时 ，导热系数为0.3489W/(mk)。 超低温保温材料研究背景 保温机理 超级保温材料设计 01 02 03 目录 CONTENTS 超低温工程中的超级保温材料设计基础 气凝胶真空隔热板 超低温工程中的超级保温材料设计气凝胶简介 气凝胶是由胶体粒子或高聚物分子相 互聚结构成的一种纳米孔网络结构， 常见的二氧化硅气凝胶是由SiO2网络 骨架和填充在纳米孔隙中的气体所构
9、成的一种高分散固体材料。由于SiO2 气凝胶的密度仅为30100kg/m3，并 具有80%以上的孔隙率，因此在常温 下二氧化硅气凝胶的热导率仅为 0.02W/(mK)。 二氧化硅气凝胶 超低温工程中的超级保温材料设计真空隔热板 真空绝热板(VIP板)是真空保温材料 中的一种，是由填充芯材与真空保护 表层复合而成，它有效地避免空气对 流引起的热传递，因此导热系数可大 幅度降低，小于0.003w/m.k，并且不 含有任何ODS(十八烷基硅烷键合硅胶 )材料，具有环保和高效节能的特性 ，是目前世界上最先进的高效保温材 料。 VIP（Vacuum Insulation Panel）板 超低温工程中的超
10、级保温材料设计改进 改进方案： 现改进真空绝热板作为超级保温材料，采用真空绝 热板的类似结构，主要由3部分组成，即芯材、阻 气层和吸气剂。芯材常用多孔材料（粉末、塑料泡 沫、纤维席等），现使用含红外遮光剂的二氧化硅 气凝胶作为芯材，提高材料保温性能。阻气层采用 现在常使用的多层聚酯基薄膜，保持材料内部较好 的真空度。吸气剂采用活性炭。 改进真空绝热板 超低温工程中的超级保温材料设计改进 基于气凝胶和真空绝热板的超级保温材料 超低温工程中的超级保温材料设计保温机理 芯材保温机理： 辐射：由于材料内的气孔均为纳米级气孔再 加材料本身极低的体积密度，使材料内部气 孔壁几乎趋于“无穷多”，对于每一个气
11、孔 壁来说都具有遮热板的作用，因而产生近于 “无穷多遮热板”的效应，从而使辐射传热 下降到近乎最低极限。而使用加了遮光剂的 气凝胶更减弱了辐射换热。 改进真空绝热板 超低温工程中的超级保温材料设计保温机理 芯材保温机理： 对流：当气凝胶材料中的气孔直径小于70nm 时，气孔内的空气分子就失去了自由流动的 能力，相对地附着在气孔壁上，这是材料处 于近似真空状态。 热传导：由于近于无穷多纳米孔的存在，热 流在固体中床底是就只能沿着气孔壁传递， 近于无穷多的气孔壁构成了近于“无穷长路 径”效应，使得固体热传导的能力下降到接 近最低极限。 改进真空绝热 板 超低温工程中的超级保温材料设计保温机理 阻气层的保温机理： 阻气层的功能主要是包覆隔绝和防止渗透两 大作用。一方面将芯材包覆起来以隔绝外界 空气使其内保持真空和较低的导热系数，另 一方面则本身为致密性材料，可有效防水气 渗入芯材，破降低其保温性能。 改进真空绝热 板 超低温工程中的超级保温材料设计保温机理 吸气剂的作用： 吸气剂的放置主要是为了保证更好的真空度 ，吸附由于渗透或材料放气所产生的多余气 体，渗入板内的水气分子则由干燥剂吸附 掉。 改进真空绝热 板 谢谢 南京航空航天大学 能源与动力学院
