强文推荐|热流计法导热仪系列3——绝热材料导热系数的影响因素

摘要

节能材料的需求促进新型绝热材料的研发和应用。导热系数作为绝热材料的主要性能，推荐采用稳态热流计法进行测试。其导热系数受到多种因素影响，主要包括温度，体积密度，气孔尺度，气相气压，纤维直径和渣球率，含水率等的影响。TA的Fox系列热流计法导热仪，可以对各种绝热材料导热性能的影响因素进行完 美 的表征。

引言

目前，节能技术受到各国高度重视，已被称为“第五能源”。在各种节能技术中，应用绝热材料的保温和保冷技术，节能效果显著。

绝热材料(Thermal Insulation Materials)亦称为隔热材料，系指对热流具有显著阻抗性，其导热系数一般小于0.11 W/(m•K)的材料或材料复合体。防止和减少热力设备及管道散热的绝热材料，通常称为保温材料，在冷冻(普冷)和低温(深冷)下使用的绝热材料称为保冷材料。

本文将对绝热材料的特点、传热机制的热物理基础、影响绝热性能的物理和化学因素等方面进行讨论，为绝热材料的测试人员，研发人员提供数据分析和判读的基础依据。

性能表征

TA仪器的Fox系列热流法导热仪，采用热流计法稳态技术测量导热系数，符合ASTM C518和ISO 8301国际标准和GB/T 10295国家标准。

Fox系列导热仪配置不同型号，提供宽广的样品尺寸选择，包括Fox200，Fox314，Fox600，Fox801，Fox1000，对应测量的样品尺寸分别为200mm，300mm，600mm，800mm和1000mm。

我们应用FOX 200热流计法热导仪测试了两种不同配方的精细粉末压制的绝热材料的导热系数。用同一种成分配方制备材料1，使用两种不同的制作方法制备AB两种样品，最 终导热系数存在20%的差异。第二种配方制备材料2，进行两次测试，后一次表现出了明显较低的导热系数，表明当接收和最 初的测试时疏松粉末处于含水受潮的状态。在第 一次加热循环时材料逐渐干燥，导致随后测量的导热系数降低。

图1 热流计法导热仪Fox 600结构示意图

图2 不同制备方法和热历史对导热系数的影响

影响绝热材料绝热性能的物理和化学因素

不同绝热材料尽管显微组织和形态各不相同，但它们的共同特点是都含有较多的气孔或孔隙，部分固相还可能对热辐射具有不同程度的透射性。绝热材料的传热过程分成三部分，即导热、辐射和对流。

固相导热是由绝热材料中的纤维、颗粒和其它各种分散物质本身和它们之间点或面的接触所产生的导热；气相导热由绝热材料中所含气孔内的气体分子间的碰撞所产生的导热。辐射热传递通过绝热材料中的气孔或孔隙或对辐射有透射性的纤维或固体颗粒，也包括纤维或固体颗粒吸收辐射能后的再辐射，或者纤维和固体颗粒的散射。

显然，辐射在绝热材料总的热传递中所占的比重，将随着温度的升高而急剧增大。此外，气孔或孔隙的增多，将使辐射变得更加有效，从而也增大了它在总的热传递中的比重。

绝热材料的气相对流在总的热传递中所占的比重比较小，而且它对绝热材料体积密度和温度的变化都不太敏感。

温度对导热系数的影响 

温度对绝热材料有效导热系数有着明显的影响。绝热材料含有大量气孔，温度的升高，导致气体分子热运动加速，空气导热与绝 对温度的平方根近似成正比，辐射导热与绝 对温度的三次方成正比，再考虑到固相导热与温度的关系，因此，一般绝热材料的随温度升高而增大，通常呈近似的线性关系。超过500度之后，曲线开始变得陡峭。

体积密度对导热系数的影响

体积密度即容重，是影响绝热材料有效导热系数的一个重要和复杂的因素。图3为典型绝热材料的在不同温度下随值变化的曲线。

图3 绝热材料不同温度下随密度变化

由图可发现如下几个规律：

(1) 绝热材料在每个温度下在某一个体积密度范围都将出现一个有效导热系数最 小值，该范围通常称之为最 佳体积密度。在研制和使用绝热材料时，必须寻找和确定相应的最 佳体积密度。

(2) 随着温度的升高，绝热材料的最 佳体积密度也相应增大。主要是辐射的贡献随着温度的升高成三次方增大，要减小辐射的贡献势必要增大体积密度。

(3) 绝热材料在高温下对应于最 佳体积密度的最 小导热系数，要比低温下对应于最 佳体积密度的最 小导热系数大。这主要是气相导热和辐射的贡献随着温度的升高而增大的缘故。

气孔尺度对导热系数的影响

气孔能引起声子的散射，气孔内气体的导热系数都很小，因此，气孔总是降低材料的导热性能。当气孔尺度减小时，气体分子运动的平均自由程逐渐接近于甚至大于气孔的尺度，从而导致导热系数的降低。当气孔尺度较小时，气孔中的对流导热很小，几乎可以忽略不计。在室温条件下，气孔的辐射导热也很小，这时材料中气孔的传热主要由气体导热决定。

气孔的形态主要是指气孔的连通性和形状。绝热材料的气孔有的几乎完全是闭气孔，如聚氨酯发泡材料和泡沫橡塑材料等；有的则是开口气孔即连通气孔，如矿棉、玻璃棉材料等；有的则两种气孔兼而有之，如硅酸钙绝热材料等。当材料的气孔率、气孔尺度确定后，含有闭气孔的绝热材料的要小的多。

气压对导热系数的影响

绝热材料由于含有大量气孔，气压(真空度)对其气相导热、对流导热，最 终对有效导热系数的影响不言而喻，而且这种影响随着绝热材料的体积密度和温度的变化而明显不同。

图4 纤维型绝热材料有效导热系数与气压的关系

在低气压条件下，由于气体导热和对流的贡献小到可予忽略，绝热材料的有效导热系数近似等于固体导热和辐射导热之和，即降到最 小值。当体积密度从8 kg/m3增大到24 kg/m3和73.6 kg/m3时，绝热材料孔隙或气孔尺度的平均值则从460相应减小到170和55，导致导热系数中热辐射贡献的减小，也降低了导热系数。

纤维直径和渣球率对导热系数的影响

纤维型、颗粒纤维型和多层复合型绝热材料的固相都含有纤维。为了提高含纤维绝热材料绝热能力，必须选择最 佳的纤维直径和排列取向以及最 佳体积密度。纤维的排列取向对绝热材料的有效导热系数具有明显影响。当热流与纤维排列方向或轴向平行和热流与纤维排列方向相垂直相比，前者比后者的有效导热系数明显要大。因此生产和使用绝热材料时，应尽量使纤维排列方向与热流相垂直。

纤维型绝热材料中不可避免存在渣球。在体积密度确定后，渣球含量的增加都意味着纤维含量的减少，从而导致的增大。渣球直径的增大，也将使绝热材料绝热性能降低。

含水率对导热系数的影响

绝热材料吸入水分和水蒸气后，孔隙间便会含有水分，而水的导热系数为0.6W/(m•K)，大约是静止空气导热系数的24倍，在低温下使用的绝热材料，水分可能结冰，而冰的导热系数又比水大3倍，约为2.3 W/(m•K)。水或冰的存在自然会使绝热材料的有效导热系数增大。因此，在绝热材料生产、储存、工程施工过程中，保持材料的干燥至关重要。特别是某些标准样品，如玻璃纤维毯和板，校正之前样品必须在200度烘干。

结论

本文总结了影响绝热材料导热系数的多种物理和化学影响因素，主要包括温度，体积密度，气孔尺度，气相气压，纤维直径和渣球率，含水率等。TA公司的Fox系列热流计法导热仪，可以对各种绝热材料的导热性能提供完 美的表征。

参考文献

《中国工程材料大典》第九卷，第 一部分《绝热材料》奚同庚，蔡岸， 2006，化学工业出版社