絕熱材料和吸聲隔聲材料土木工程材料課件

絕熱材料和吸聲隔聲材料土木工程材料

絕熱材料是指用于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)或熱工設(shè)備、阻抗熱流傳遞的材料或材料復(fù)合體。既包括保溫、隔熱材料，又包括保冷材料?！?/p>

使用絕熱材料的意義

滿足建筑空間或熱工設(shè)備的冷、熱環(huán)境。

節(jié)約能源。通過(guò)使用絕熱圍護(hù)材料，可在現(xiàn)有基礎(chǔ)上節(jié)能50%-80%。日本的節(jié)能實(shí)踐證明，使用1噸節(jié)能材料可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤3噸/年，其節(jié)能效益是材料生產(chǎn)成本的10倍?！?/p>

用途

民用建筑、溫室或冷庫(kù)、工業(yè)窯爐、鍋爐、熱工容器和管道等。*Page:2

傳熱的基本方式

傳熱是指熱量從高溫區(qū)向低溫區(qū)的自發(fā)流動(dòng)，是一種由于溫差而引起的能量轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。熱量傳遞的方式：

導(dǎo)熱

對(duì)流

熱輻射*Page:3*Page:4熱傳遞機(jī)理—（1）熱傳導(dǎo)t2t1熱傳導(dǎo)：通過(guò)分子的熱運(yùn)動(dòng)或原子、自由電子等微觀粒子的運(yùn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行熱傳遞。*Page:5熱傳遞機(jī)理—（2）對(duì)流t2t1對(duì)流：對(duì)流僅發(fā)生于流體中，它是指由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)使流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移而導(dǎo)致的熱量傳遞過(guò)程。*Page:6輻射是一種通過(guò)電磁波傳遞能量的過(guò)程。物體因各種原因發(fā)出輻射能，其中因熱的原因發(fā)出輻射能的現(xiàn)象稱為熱輻射。與熱傳導(dǎo)和對(duì)流傳熱不同，輻射傳熱無(wú)須借助中間介質(zhì)的存在來(lái)傳遞熱量，可以在真空中傳遞。熱傳遞機(jī)理—（3）熱輻射熱源兩個(gè)物理量——λ、C

導(dǎo)熱系數(shù)λ（W/m·k）—

厚度為1m的材料，當(dāng)溫度每改變1K時(shí)，在1h時(shí)間內(nèi)通過(guò)1m2面積的傳熱量。*Page:7xt1t2QQ傳熱面積傳熱時(shí)間固體材料的導(dǎo)熱系數(shù)有相當(dāng)重要的實(shí)際和理論意義。高爐和鍋爐的設(shè)計(jì)需要知道隔熱材料從高溫到環(huán)

境溫度的導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)據(jù)；核反應(yīng)堆中燃料元件的最高使用溫度直接與其導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)；航空和宇航應(yīng)用方面所遇到的極限溫度環(huán)境，燃料的低溫存儲(chǔ)等都需要準(zhǔn)確知道材料的導(dǎo)熱系數(shù)。λ↑≡導(dǎo)熱能力強(qiáng)；λ↓≡絕熱性能好

材料的比熱容—質(zhì)量為1g的材料，當(dāng)溫度升高或降低1K時(shí)所吸收或放出的熱量。

C—材料的比熱容，J/(g·K)；Q—材料吸收或放出的熱量，J；m—材料的質(zhì)量，g；T2-T1—材料受熱或冷卻前后溫差，K

*Page:8材料導(dǎo)熱系數(shù)和熱容量是設(shè)計(jì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)（墻體、屋面）進(jìn)行熱工計(jì)算的重要參數(shù)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選用導(dǎo)熱系數(shù)較小而比熱容較大的建筑材料，以使建筑物保持室內(nèi)溫度的穩(wěn)定性。

定義——控制室內(nèi)熱量外流的材料叫做保溫材料防止熱量進(jìn)入室內(nèi)的材料叫做隔熱材料保溫、隔熱材料統(tǒng)稱為絕熱材料。（λ＜0.175W/m·K）。

絕熱材料的選用——導(dǎo)熱系數(shù)λ＜0.175W/m·K，表觀密度＜600kg/m3，抗壓強(qiáng)度＞0.3MPa*Page:9絕大多數(shù)建筑材料的導(dǎo)熱系數(shù)介于0.029-3.49W/m·K之間。應(yīng)該指出，即使是同一種材料，其導(dǎo)熱系數(shù)也并不是常數(shù)，與材料的濕度等因素有關(guān)。

絕熱材料的基本類型

多孔型

絕熱機(jī)理——材料孔隙中空氣的導(dǎo)熱系數(shù)大大小于固體的導(dǎo)熱系數(shù)，同時(shí)孔隙的存在使熱量在固相中的傳遞路線增加，從而傳熱阻力增加，傳熱速度大為減緩。*Page:10t1t2Q*Page:11

纖維型:絕熱性能與纖維布置的方向有關(guān)t2t1對(duì)于纖維質(zhì)材料，不同方向上導(dǎo)熱的性能不同：（A）與纖維垂直的方向上，導(dǎo)熱系數(shù)較低，絕熱性能好At1t2Q*Page:12對(duì)于纖維質(zhì)材料，不同方向上導(dǎo)熱的性能不同：（B）與纖維平行的方向上，導(dǎo)熱系數(shù)較高，絕熱性能要差些t2t1B

纖維型:絕熱性能與纖維布置的方向有關(guān)

反射型Io—外來(lái)熱輻射能量；IB—反射的能量；IA—吸收的能量*Page:13IoIBIA熱輻射的吸收性能-吸收率A熱輻射的反射性能-反射率B由A+B=1可以看出，凡是反射能力強(qiáng)的材料，吸收熱輻射的能力就??；反之，吸收能力強(qiáng)，則其反射率就越小

絕熱材料的性能1.導(dǎo)熱系數(shù)及其影響因素

材料的物質(zhì)構(gòu)成——化學(xué)組成和分子結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的物質(zhì)比結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)要大。λ有機(jī)高分子＜λ無(wú)機(jī)材料；λ非金屬＜λ金屬

孔隙率——可將孔隙或空隙中的氣體視為無(wú)對(duì)流的靜止空氣。①孔隙率↑≡表觀密度↓≡λ↓

②在表觀密度相同的情況下，孔隙尺寸↓≡λ↓③孔隙體積大到一定程度后，由于空氣對(duì)流的出現(xiàn)，λ↑*Page:14

溫度——由于輻射熱的影響，多孔材料的導(dǎo)熱系數(shù)一般隨溫度的升高而增大。

濕度——λ水＞λ靜止空氣→濕度↑≡λ↑λ氣態(tài)＜λ液態(tài)＜λ固體

熱流方向——對(duì)于各向異性的材料，不同方向上的導(dǎo)熱系數(shù)各不相同，有時(shí)差異很大。*Page:152.溫度穩(wěn)定性——指材料在受熱作用下保持原有性能不變的能力，通常用其不致喪失絕熱性能的極限溫度來(lái)表示。3.吸濕性——指絕熱材料從潮濕環(huán)境中吸收水分的能力。4.強(qiáng)度——通常采用抗壓和抗折強(qiáng)度來(lái)表示，一般不宜將絕熱材料用于承受外界載荷部位。*Page:16

絕熱材料的成分類型*Page:17大類類亞類舉例無(wú)機(jī)絕熱材料金屬黑色金屬不銹鋼板有色金屬鋁箔、銅箔非金屬天然礦物浮石、火山渣、硅藻土、石棉、海泡石加工礦物膨脹珍珠巖、膨脹蛭石、陶粒與陶砂、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鈣、微孔鋁酸鈣、微孔碳酸鎂、泡沫玻璃、加氣混凝土、泡沫水泥、巖棉、玻璃棉、硅酸鋁棉、泡沫水玻璃、中空玻璃工業(yè)廢渣膨脹礦渣、爐渣、粉煤灰、廢磚瓦絕熱材料的成分類型—續(xù)*Page:18有機(jī)絕熱材料動(dòng)植物軟木、紙屑、木屑、刨花、麥糠、稻殼、玉米芯、蘆葦、蔓草、棉花、羊毛礦物泡沫瀝青合成高分子泡沫聚苯乙烯、泡沫聚氨酯、泡沫尿醛樹脂、泡沫酚醛樹脂、泡沫橡膠、鈣塑絕熱板復(fù)合絕熱材料金屬與無(wú)機(jī)非金屬?gòu)?fù)合鍍膜玻璃金屬與有機(jī)材料復(fù)合鋁塑反射板、鋁箔夾心隔熱膜有機(jī)與無(wú)機(jī)非金屬?gòu)?fù)合吸熱涂層玻璃板

絕熱材料的結(jié)構(gòu)類型*Page:19大類類舉例纖維狀天然石棉與石棉制品、動(dòng)物纖維、植物纖維人造巖棉與巖棉制品、礦棉及其制品、玻璃棉及其制品、硅酸鋁棉及其制品、化學(xué)纖維與纖維植物散粒狀天然浮石、火山渣、硅藻土、礦渣、植物碎屑人造膨脹珍珠巖及其制品、膨脹蛭石及其制品、、陶粒與陶粒制品、空心氧化鋁球及其制品微孔狀天然硅藻土、沸石巖泉華、軟木人造加氣混凝土、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、微孔硅酸鈣、微孔磷酸鈣微孔碳酸鈣層狀天然木板人造塑料板、吸熱玻璃板、鋁膜、鍍膜玻璃、中空玻璃蜂窩夾心板空腹門窗

絕熱材料的工藝類型*Page:20大類類舉例加工型破碎型風(fēng)選石棉、浮石、爐渣、木渣等燒脹型膨脹珍珠巖、膨脹蛭石、陶粒與陶砂等燒結(jié)型粉煤灰陶粒、燒結(jié)氧化鋁空心球磚燒失型硅藻土磚、泡沫粘土磚膠結(jié)型水泥、石膏、水玻璃、瀝青等膠結(jié)的各種膨脹珍珠巖和膨脹蛭石制品分散型泡沫石棉合成型熔制型巖棉、礦棉、玻璃棉、硅酸鋁棉、熔制型泡沫玻璃等燒結(jié)型燒結(jié)型微孔玻璃膠凝型泡沫水泥、泡沫石膏、泡沫菱苦土、泡沫水玻璃、微孔鋁酸鈣、微孔硅酸鈣、加氣混凝土等交聯(lián)型各種泡沫塑料復(fù)合型混合型硅酸鹽保溫涂料、石棉硅鈣板、炭化石灰板復(fù)層型蜂窩夾心板、鋁箔夾心板拼裝型中空玻璃——散粒狀絕熱材料主要利用顆粒內(nèi)部的孔隙與顆粒之間的空隙阻止熱流的傳遞。

膨脹珍珠巖及其絕熱制品

物理性能——白色，微孔結(jié)構(gòu)，散粒狀構(gòu)造；

微孔尺寸:1-10μm級(jí)；

顆粒尺寸:0.15-2.5mm；

常溫導(dǎo)熱系數(shù):0.042-0.076W/(m·K);

安全使用溫度：-200～1000℃。*Page:21

基本絕熱原理——珍珠巖屬于玻璃質(zhì)材料，在其軟化溫度范圍內(nèi)，表現(xiàn)出很高的粘滯性，既能發(fā)生顯著的變形而不破裂，又可阻止氣體外逸。此時(shí)其內(nèi)的化學(xué)結(jié)合水發(fā)生蒸發(fā)，在珍珠巖流體中產(chǎn)生大量的氣泡，粘滯的軟化體隨氣泡的不斷生成與長(zhǎng)大發(fā)生顯著的體積膨脹。在氣孔長(zhǎng)大到一定程度但尚無(wú)合并之時(shí)迅速冷卻，氣泡將保留于膨脹的珍珠巖顆粒內(nèi)部，形成微孔構(gòu)造。*Page:22

原材料及技術(shù)要求——

珍珠巖是酸性含水火山玻璃質(zhì)巖石的總稱，主要包括珍珠巖、黑耀巖、松脂巖三種巖石，由火山噴發(fā)急速冷卻而成?！?/p>

珍珠巖的質(zhì)量等級(jí):在工業(yè)上除要求SiO2應(yīng)占70%左右，H2O占4%~6%，F(xiàn)e2O3+FeO＜2.0%外，主要通過(guò)其物理性質(zhì)—膨脹倍數(shù)劃分質(zhì)量等級(jí)。*Page:23料粒制備水分調(diào)整燒脹制品加工冷卻篩分

實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)易焙燒膨脹倍數(shù)K0與工業(yè)焙燒膨脹倍數(shù)Ks對(duì)比*Page:24等級(jí)堆積密度（kg/m3）K0(倍)Ks(倍)Fe2O3+FeO用途Ⅰ≤80≥3.5≥15＜1.0生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)膨脹珍珠巖Ⅱ≤150≥2.5≥8＜2.0輕骨料Ⅲ≤250≥2.0≥3泡沫玻璃化學(xué)成分質(zhì)量百分比化學(xué)成分質(zhì)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*Page:25珍珠巖的化學(xué)成分范圍*Page:26技術(shù)指標(biāo)單位產(chǎn)品分類ⅠⅡⅢ堆積密度Kg/m3＜8080~150150~200粒度質(zhì)量%粒徑大于2.5mm:≤5%粒徑小于0.15mm:≤8%粒徑小于0.15mm：≤8%粒徑小于0.15mm：

≤8%導(dǎo)熱系數(shù)W/m.K＜0.0520.052~0.0640.064~0.076含水率質(zhì)量%＜2＜2＜2

膨脹珍珠巖制品的生產(chǎn)工藝*Page:27后處理配料攪拌壓制成型成品固化處理

水泥膨脹珍珠巖制品典型配方膠結(jié)劑品種強(qiáng)度≥32.5MPa體積配合比膠結(jié)劑/膨脹珍珠巖水灰比壓縮比松散體積/制品體積硅酸鹽

水泥1:10~1:142.11.6~1.8低鈣鋁酸鹽水泥1:3~1:100.7~1.71.5~1.8高鋁水泥1:8~1:101.71.6~2.0*Page:28—水泥基：配合料經(jīng)干拌后加水?dāng)嚢璩深伾鶆蛞恢?，無(wú)結(jié)團(tuán)的半干料，經(jīng)壓機(jī)壓制成型后，保濕養(yǎng)護(hù)6~10天以上（或85~90℃蒸氣養(yǎng)護(hù)6~12h），自然干燥即得產(chǎn)品?！嗷簾o(wú)須保濕養(yǎng)護(hù)，采用半干法成型直接干燥而成?？稍诮ㄖさ仉S做隨用，但耐水性不良，主要用于室內(nèi)?！ＡЩ核Ａ?膨脹珍珠巖:赤泥（質(zhì)量比）=43.6:54.6:1.8，成型壓力0.4-0.5MPa，成型后的坯體在50-110℃的條件下烘干，然后送入550-650℃的窯爐進(jìn)行焙燒?！姿猁}基：以膨脹珍珠巖作骨料，以鋁酸鋁和少量的硫酸鋁、紙漿廢液作膠結(jié)劑，經(jīng)配料、攪拌、成型、焙燒制成。制品濕物料質(zhì)量比：膨脹珍珠巖45.5；磷酸鋁溶液34.1；硫酸鋁溶液11.3；紙漿廢液9.1*Page:29*Page:30膨脹珍珠巖制品膠結(jié)劑類型表觀密度kg/m3σ壓MPa導(dǎo)熱系數(shù)W/m.K使用溫度℃特點(diǎn)水泥250~4000.3~0.50.058~

0.087耐酸性較弱水玻璃200~3000.5~1.20.048~

0.074≤650耐酸性強(qiáng)，耐水性弱磷酸鹽200~2500.5~1.00.038~

0.045≤1000耐熱性強(qiáng)乳化瀝青300~3500.3~0.50.07~

0.09≤90吸水率低，耐水性強(qiáng)硅酸鹽300~4500.3~0.50.07~

0.12≤400絕熱性能相對(duì)較差碳酸鹽200~3500.3~0.80.065~

0.15≤650典型膨脹珍珠巖制品的物理力學(xué)性能*Page:31

密度：散粒的堆積密度一般為50~150kg/m3，總孔隙率為90%~98%。粒度為0.1~0.8mm的顆粒具有最小的堆積密度和最大的孔隙率。

導(dǎo)熱系數(shù)：λ∝堆積密度。當(dāng)0.1~0.8mm的顆粒含量在50%以上時(shí)，其λ不會(huì)大于0.052W/m.K。在真空狀態(tài)下，越細(xì)的顆粒，λ越小。耐熱性：膨脹珍珠巖的耐火度為1280-1360℃。但散粒絕熱材料主要是利用顆粒的多孔結(jié)構(gòu)，隨著溫度↑≡多孔結(jié)構(gòu)發(fā)生變形≡絕熱性能↓乃至喪失。膨脹珍珠巖的安全使用溫度一般為800℃。吸水量：膨脹珍珠巖的吸水量可達(dá)本身質(zhì)量的2-9倍，其吸水速度在15min內(nèi)質(zhì)量吸水率可達(dá)300%-400%，體積吸水率可達(dá)28%-30%。吸水引起強(qiáng)度下降，絕熱性能降低。*Page:32

特點(diǎn)——有機(jī)微孔狀絕熱材料，有天然的軟木、銅木等，但主要是指泡沫塑料和泡沫橡膠制品。與無(wú)機(jī)微孔狀絕熱材料相比，有機(jī)微孔狀絕熱材料具有質(zhì)量輕、導(dǎo)熱系數(shù)小、耐水抗?jié)B、耐腐蝕、耐低溫、彈性好，尺寸穩(wěn)定，加工安裝方便等特點(diǎn)，但耐熱性較差。*Page:33

聚苯乙烯泡沫塑料—聚苯乙烯泡沫塑料簡(jiǎn)稱EPS，是以聚苯乙烯樹脂為主要原料，經(jīng)發(fā)泡劑發(fā)泡而制成的一種內(nèi)部有無(wú)數(shù)封閉微孔的材料，廣泛用于建筑絕熱和低溫管道工程保冷?！攸c(diǎn)：表觀密度?。?0~50kg/m3），導(dǎo)熱系數(shù)低，（0.031-0.045W/m·K），吸水率?。ǎ?.1%），隔音性能及耐沖擊性能好，尺寸精度高、結(jié)構(gòu)均勻，耐熱溫度70~80℃，遇火能自行熄滅。*Page:34*Page:35原料作用技術(shù)要求用量備注聚苯乙烯珠粒顆粒主體分子量55000，揮發(fā)物<0.5%100丁烷發(fā)泡劑工業(yè)級(jí)10水自來(lái)水160肥皂粉分散劑工業(yè)級(jí)5過(guò)氧化二異丙苯增效劑工業(yè)級(jí)0.82、6—叔丁基對(duì)甲酚抗氧劑工業(yè)級(jí)0.3二苯甲酮紫外線吸收劑工業(yè)級(jí)0.2四溴乙烷阻燃劑體積質(zhì)量2.7~2.91.5生產(chǎn)自熄性泡沫塑料時(shí)加入

低溫和超低溫隔熱——大量使用纖維隔熱材料、多孔隔熱材料和空氣層式隔熱材料。隔熱方式中，輻射隔熱（特別是真空反射隔熱）占很重要的地位。*Page:36

高溫和超高溫隔熱

吸收隔熱——利用材料本身具有較大的熱容和熱導(dǎo)而將熱量吸收和導(dǎo)出，要求材料比熱大，熱容高，熔點(diǎn)高，通常只用在熱通量低和時(shí)間較短的情況下。

輻射隔熱——利用材料表面熱物理性能的特殊隔熱方式。加涂熱輻射涂層的難熔金屬（紅外波段內(nèi)的高發(fā)射物質(zhì)，如炭化硅、氧化鉻等），可用于輻射隔熱的目的。*Page:37

發(fā)汗隔熱——通過(guò)耐高溫多孔表面材料的毛細(xì)管進(jìn)行發(fā)汗實(shí)現(xiàn)隔熱，發(fā)汗材料可以是氣體，也可以是液體。發(fā)汗在理論上可以應(yīng)付無(wú)限大的熱通量，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜而笨重。

燒蝕隔熱——以消耗物質(zhì)來(lái)?yè)Q取隔熱效果的隔熱方式，它是利用材料的分解、解聚熔化、蒸發(fā)、氣化等化學(xué)物理過(guò)程移走大量的熱來(lái)達(dá)到防熱的目的。評(píng)價(jià)燒蝕材料優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)是燒蝕熱（一般總熱通量超過(guò)5萬(wàn)kcar/m2以上，使用燒蝕材料均能較好地滿足要求）。*Page:38*Page:39泡沫陶瓷高輻射涂層纖維隔熱材料金屬結(jié)構(gòu)金屬蜂窩燒蝕材料粘結(jié)材料蜂窩結(jié)構(gòu)隔熱材料

復(fù)合隔熱結(jié)構(gòu)

使用表觀密度較低的材料，盡量使其表觀密度符合絕熱最佳密度。

使用有機(jī)高分子材料或無(wú)定型的無(wú)機(jī)材料。

在表觀密度一定的情況下，使材料內(nèi)部空隙數(shù)量盡可能多，體積盡可能小，且互不連通。*Page:40

當(dāng)利用空氣夾層隔熱時(shí)，應(yīng)使夾層盡量小，以防止對(duì)流的出現(xiàn)。如采用蜂窩結(jié)構(gòu)比大平壁中空結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)??；夾層內(nèi)填充微孔材料，由于減少輻射換熱，其導(dǎo)熱系數(shù)又比蜂窩結(jié)構(gòu)小。

當(dāng)使用遮熱板絕熱時(shí)，可選擇反射率高，發(fā)射率低的材料。

采用真空化處理或充填導(dǎo)熱系數(shù)小于空氣的氣體*Page:4112.2吸聲、隔聲材料*Page:42吸聲性：聲能穿透材料和被材料消耗的性質(zhì)。隔聲性：阻止聲波在空氣和固體中的傳播(隔絕聲音)。12.2.1吸聲材料及吸聲結(jié)構(gòu)(1)多孔吸聲材料多孔吸聲材料與絕熱材料的異同(2)柔性吸聲材料(3)簾幕吸聲體*Page:43吸聲系數(shù)：=E/E0吸聲材料：125Hz、250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz等6個(gè)頻率的平均吸聲系數(shù)大于0.2的材料。吸聲材料大多為輕質(zhì)、疏松、多孔的，孔隙在70％以上。常用的吸聲材料：玻璃棉、巖棉、礦棉等纖維材料及板、氈、石膏板、纖維板等。*Page:44*Page:45聲波進(jìn)入材料內(nèi)部互相貫通的孔隙，空氣分子受到摩擦和粘滯阻力，使空氣產(chǎn)生振動(dòng)，從而使聲能轉(zhuǎn)化