导热系数小于0.175的绝热材料与导热性研究

2023-09-01 理论教育版权反馈

【摘要】：工程中，通常把导热系数小于0.175 W/（m·K）的材料称为绝热材料。对于纤维状材料，当纤维之间压实至某一表观密度时，其导热系数最小，该表观密度称为最佳表观密度。以松木为例，当热流垂直于木纹时，导热系数为0.17 W/（m·K）；而当热流平行于木纹时，则导热系数为0.35 W/（m·K）。

1.绝热材料的作用原理

热从本质上是由组成物质的分子、原子和电子等，在物质内部的移动、转动和振动所产生的能量，即热能。在任何介质中，当两点之间存在温度差时，就会产生热能传递现象，热能将由温度较高点传递至温度较低点。

传热的基本形式有热传导、热对流和热辐射三种。通常情况下，三种传热方式是共存的，但因保温隔热性能良好的材料是多孔且封闭的，虽然在材料的孔隙内有着空气，起着对流和辐射作用，但与热传导相比，热对流和热辐射所占的比例很小，因此在热工计算时通常不予考虑，而主要考虑热传导。

不同的土木工程材料具有不同的热物理性能，衡量其保温隔热性能优劣的指标主要是导热系数。导热系数越小，则通过材料传递的热量越少，其保温隔热性能越好。工程中，通常把导热系数小于0.175 W/（m·K）的材料称为绝热材料。

2.影响材料导热性的主要因素

（1）材料的组成及微观结构

不同的材料其导热系数是不同的。一般来说，导热系数以金属最大，非金属次之，液体再次，气体最小。对于同一种材料，其微观结构不同，导热系数也有很大的差异。一般地，结晶体结构的最大，微晶体结构的次之，玻璃体结构的最小。但对于绝热材料来说，由于孔隙率大，气体（空气）对导热系数的影响起主要作用，而固体部分的结构不论是晶态还是玻璃态，对导热系数的影响均不大。

（2）表观密度与孔隙特征

由于材料中固体物质的热传导能力比空气大得多，故表观密度小的材料，因其孔隙率大，导热系数小。在孔隙率相同时，孔隙尺寸愈大，导热系数愈大；连通孔隙的比封闭孔隙的导热系数大。对于纤维状材料，当纤维之间压实至某一表观密度时，其导热系数最小，该表观密度称为最佳表观密度。当纤维材料的表观密度小于最佳表观密度时，其导热系数反而增大，这是由于孔隙增大且相互连通、引起空气对流的结果。

（3）材料的湿度

材料吸湿受潮后，其导热系数增大，这在多孔材料中最为明显。这是由于水的导热系数0.58 W/（m·K）远大于密闭空气的导热系数0.023 W/（m·K）。当绝热材料中吸收的水分结冰时，其导热系数会进一步增大。因为冰的导热系数2.33 W/（m·K）比水的大。因此，绝热材料应特别注意防水防潮。

蒸汽渗透是值得注意的问题，水蒸气能从温度较高的一侧渗入材料。当水蒸气在材料孔隙中达到最大饱和度时就凝结成水，从而使温度较低的一侧表面上出现冷凝水滴。这不仅大大提高了导热性，而且还会降低材料的强度和耐久性。防止的方法是在可能出现冷凝水的界面上，用沥青卷材、铝箔或塑料薄膜等憎水性材料加做隔蒸汽层。

（4）温度

材料的导热系数随温度的升高而增大。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，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。

（5）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，热流受阻　小，故导热系数大。而热流垂直于纤维方向时，热流受阻大，故导热系数小。以松木为例，当热流垂直于木纹时，导热系数为0.17 W/（m·K）；而当热流平行于木纹时，则导热系数为0.35 W/（m·K）。

上述各项因素中以表观密度和湿度的影响最大。因而在测定材料的导热系数时，也必须测定材料的表观密度。至于湿度，通常对多数绝热材料可取空气相对湿度为80% ～85%时材料的平衡湿度作为参考值，应尽可能在这种湿度条件下测定材料的导热系数。

导热系数小于0.175的绝热材料与导热性研究

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