隔熱材料是指能夠減少熱量傳遞的一類材料，可以有效減少建筑、機(jī)器設(shè)備、航空航天器等物體的熱損失，從而提高能源利用效率。熱隔離材料被廣泛應(yīng)用于建筑、工業(yè)、汽車、航空航天等領(lǐng)域，以達(dá)到減少能源消耗、降低環(huán)境污染等目的。
常見的熱隔離材料有傳統(tǒng)絕熱材料（玻璃纖維、石棉、巖棉、硅酸鹽）和新型絕熱材料（氣凝膠氈、真空板），以及玻璃棉、聚氨酯[zhǐ]泡沫、聚苯板、聚乙烯泡沫、耐火纖維等。
定義
隔熱材料可以分為多孔材料、熱反射材料和真空材料三類。多孔材料利用自身孔隙的隔熱性能來減少熱量傳遞，如泡沫材料、纖維材料等；熱反射材料則通過反射熱量來降低傳熱，如金屬箔或鍍金屬的聚酯、聚酰亞胺薄膜等；而真空絕熱材料則通過利用材料內(nèi)部的真空阻擋對流來實(shí)現(xiàn)隔熱。航空航天工業(yè)對隔熱材料的要求較高，除了具備隔熱功能外，還需要具備隔音、減振、防腐蝕等性能。常用的隔熱材料包括泡沫塑料、超細(xì)玻璃棉、高硅氧棉、真空隔熱板等。不同的飛行器需要的隔熱材料也不盡相同，比如飛機(jī)座艙和駕駛艙內(nèi)通常采用泡沫塑料、超細(xì)玻璃棉、高硅氧棉、真空隔熱板等材料來隔熱。
原理
在建筑物中熱量可以通過傳導(dǎo)、對流和輻射三種方式進(jìn)行傳遞。
在夏季里瓦屋頂?shù)臏囟壬邥?dǎo)致大量的輻射熱進(jìn)入室內(nèi)，使室內(nèi)溫度持續(xù)升高，進(jìn)而使得人們的工作和生活環(huán)境變得非常不舒適。
Dike鋁箔卷材的太陽輻射吸收系數(shù)（法向全輻射放射率）為0.07，這意味著它吸收的太陽輻射熱量較少。因此鋁箔卷材在建筑物屋頂和墻體的隔熱保溫中被廣泛應(yīng)用。
沒有隔熱膜的情況下，熱能傳播路徑如下：太陽的紅外線輻射和磁波通過空氣到達(dá)瓦片表面——使其溫度上升——瓦片成為熱源放射熱能——再撞擊到現(xiàn)澆屋面使其溫度升高——現(xiàn)澆屋面也成為熱源放射熱能——導(dǎo)致室內(nèi)環(huán)境溫度持續(xù)上升。
經(jīng)過隔熱膜處理的熱能傳播路線為：太陽——紅外線磁波——熱能撞擊瓦片使溫度升高——瓦片成為熱源放射出熱能——熱能撞擊鋁箔使表面溫度升高——鋁箔的放射率很低，放射出的熱能較少——室內(nèi)環(huán)境溫度保持在一個(gè)舒適的范圍內(nèi)。
影響因素
材料類型
隔熱材料的種類和物質(zhì)構(gòu)成的不同會導(dǎo)致其導(dǎo)熱系數(shù)的不同，不同的隔熱機(jī)理也會影響隔熱材料的熱性能。即使對于相同的物質(zhì)構(gòu)成的隔熱材料，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)控制工藝的不同也可能導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)的差異很大。對于孔隙率較低的固體隔熱材料，結(jié)晶結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)最大，微晶體結(jié)構(gòu)次之，玻璃體結(jié)構(gòu)的最小。但對于孔隙率較高的隔熱材料，氣體(空氣)對導(dǎo)熱系數(shù)的影響起到主要作用，固體部分無論是晶態(tài)結(jié)構(gòu)還是玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)，對導(dǎo)熱系數(shù)的影響都不大。
工作溫度
各種絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)都會受到溫度的直接影響，當(dāng)溫度升高時(shí)材料的導(dǎo)熱系數(shù)也會上升。因?yàn)殡S著溫度的升高，材料內(nèi)部的空氣導(dǎo)熱能力和輻射作用也會增強(qiáng)，在溫度為0-50°C的范圍內(nèi)，這種影響并不顯著，只有在高溫或負(fù)溫下的材料才需要考慮溫度的影響。
含濕比率
絕大多數(shù)保溫隔熱材料都是多孔結(jié)構(gòu)容易吸濕。當(dāng)材料吸濕受潮后，導(dǎo)熱系數(shù)會增大。在多孔材料中，當(dāng)含濕率大于5%-10%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)的增大最為明顯。這是因?yàn)楹趾螅肿拥倪\(yùn)動(dòng)將成為主要的傳熱方式，而水的導(dǎo)熱系數(shù)比空氣大20倍左右，因此有效導(dǎo)熱系數(shù)明顯升高。如果孔隙中的水結(jié)成了冰，其導(dǎo)熱系數(shù)更大，導(dǎo)致材料導(dǎo)熱系數(shù)增大，在應(yīng)用非憎水型隔熱材料時(shí)，必須注意防水避潮。
孔隙特征
當(dāng)隔熱材料的孔隙率相同時(shí)，孔隙尺寸越大，材料的導(dǎo)熱系數(shù)越大，具有相互連通的孔隙結(jié)構(gòu)的隔熱材料比封閉型孔隙結(jié)構(gòu)的隔熱材料具有更高的導(dǎo)熱系數(shù)。對于封閉型孔隙結(jié)構(gòu)的隔熱材料來說，其孔隙率越高，則其導(dǎo)熱系數(shù)越低。
容重大小
密度是保溫隔熱材料氣孔率的直接反映。氣相的導(dǎo)熱系數(shù)通常比固相導(dǎo)熱系數(shù)小，保溫隔熱材料往往具有較高的氣孔率和較小的密度。通常情況下增大氣孔率或降低密度都將導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)的下降，對于表觀密度很小的材料，特別是纖維狀材料，當(dāng)其表觀密度低于某一極限值時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)反而會增大。這是由于孔隙率增大時(shí)，互相連通的孔隙大大增多，從而使對流作用得以加強(qiáng)，這類材料存在一個(gè)最佳表觀密度，即在這個(gè)密度時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)最小。
材料粒度
在常溫下，松散顆粒型材料的導(dǎo)熱系數(shù)會隨著材料粒度的減小而降低。當(dāng)粒度較大時(shí)，顆粒之間的空隙尺寸也會增大，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)會隨之增大。此外粒度越小材料的導(dǎo)熱系數(shù)對溫度變化的影響就越小。
熱流方向
各向異性的材料在纖維排列狀態(tài)不同時(shí)，對熱流方向的阻力也不同。一般保溫材料的纖維排列較為平行，其密度條件下的導(dǎo)熱系數(shù)比其他多孔質(zhì)保溫材料小得多。對于木材等各向異性材料，當(dāng)熱流平行于纖維方向時(shí)阻力較小，而垂直于纖維方向時(shí)阻力較大，氣孔質(zhì)材料分為氣泡類和粒子相互輕微接觸類兩種。由于氣孔連通方向與傳熱方向更接近于平行，具有大量開口氣孔的隔熱材料絕熱性能比大量封閉氣孔材料差。
填充氣體
隔熱材料的熱傳導(dǎo)主要來自于孔隙內(nèi)的氣體傳導(dǎo)，因此隔熱材料的熱導(dǎo)率受到填充氣體種類的很大影響。在低溫工程中，如果填充氨氣或氫氣，可以近似認(rèn)為隔熱材料的熱導(dǎo)率與這些氣體的熱導(dǎo)率相當(dāng)，因?yàn)?a href="/hebeideji/7173962224183902246.html">氮?dú)?/a>和氫氣的熱導(dǎo)率都比較大。
比熱容
熱導(dǎo)率是指熱擴(kuò)散系數(shù)、比熱和密度三者的乘積。在熱擴(kuò)散系數(shù)和密度相同的情況下，比熱越大，導(dǎo)熱系數(shù)越高。隔熱材料的比熱與計(jì)算絕熱結(jié)構(gòu)在冷卻和加熱時(shí)所需的冷量(或熱量)有關(guān)。在低溫下，所有固體的比熱都會大幅變化。在常溫常壓下，空氣的質(zhì)量不超過隔熱材料的5%，但隨著溫度下降，氣體所占比例越來越大。在計(jì)算常壓下工作的隔熱材料時(shí)，應(yīng)考慮這一因素的影響。對于隔熱材料，表觀密度和濕度的影響最大，因此在測定材料的導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)，必須同時(shí)測定表觀密度。對于多數(shù)隔熱材料，可以以空氣相對濕度80%到85%時(shí)材料的平衡濕度作為參考狀態(tài)，盡可能在這種濕度條件下測定導(dǎo)熱系數(shù)。
真空
熱傳導(dǎo)主要有三種方式：對流、傳導(dǎo)和輻射，其中對流是最主要的方式。如果采用真空將對流阻隔掉，導(dǎo)熱系數(shù)就會大大降低，就像保溫瓶一樣。隔熱材料中的骨架可能通過傳導(dǎo)方式傳導(dǎo)熱量，因此使用導(dǎo)熱系數(shù)低的玻璃纖維來做骨架，在外表加上鋁膜包裝袋可以阻擋輻射，這種材料的導(dǎo)熱系數(shù)是最小的。
代表材料
礦物棉
礦物棉是指巖棉、礦渣棉、玻璃棉、硅酸鋁棉及其制品，其特點(diǎn)是體積密度小、導(dǎo)熱系數(shù)低，不易燃燒，能耐高溫、抗凍、耐腐蝕、不受蟲蛀，且化學(xué)穩(wěn)定性良好。
自20世紀(jì)50年代起，礦物棉主要用于工業(yè)隔熱，廣泛應(yīng)用于各種建筑物中，并形成了一個(gè)比較完善的產(chǎn)品體系，包括氈、板、管殼、塊、墊、繩、板等各種類型。礦物棉是中國主要的工業(yè)和建筑隔熱隔音材料，特別是在我國西部、北部采暖地區(qū)，以及農(nóng)村和貧困地區(qū)的采暖建筑，其應(yīng)用前景非常廣闊。
隔熱棉
隔熱棉是一種保溫隔熱材料，它采用廢舊棉織物（如牛仔褲）經(jīng)過無毒、防火、驅(qū)蟲的硼處理后再處理而成。隔熱棉不僅在環(huán)境和健康安全方面?zhèn)涫苜澴u(yù)，而且其性質(zhì)比其他多種絕熱材料更為優(yōu)異。
隔熱棉是一種適合在寒冷氣候下使用的保溫隔熱材料，能夠幫助保持房屋內(nèi)部的溫度。隔熱棉呈平板狀，安裝方法類似于纖維玻璃絕熱材料的安裝，安裝隔熱棉時(shí)，無需佩戴呼吸口罩或安全設(shè)備，也不需要在產(chǎn)品上標(biāo)注警告標(biāo)簽。
反射絕熱材料
反射建筑絕熱材料主要由透明性好的樹脂和高反射率填料組成，常用的高反射率填料是玻璃空心微珠。玻璃微珠也稱為多功能空心添加劑，顆粒呈圓形或近似圓形，表面光滑堅(jiān)硬，結(jié)構(gòu)致密且對各種液體介質(zhì)幾乎不吸收。它能夠很好地反射入射的光、熱等波，其密度低、導(dǎo)熱系數(shù)小，能夠有效地隔絕傳熱。
反射建筑絕熱材料通常用于建筑物的屋頂子、墻體或樓蓋擱柵等部位。它利用材料對光和熱的高反射作用，能夠使太陽照射到材料上的大部分能量得到反射，而不是被材料吸收。同時(shí)，由于該材料的導(dǎo)熱系數(shù)很小，絕熱性能很好，能夠有效阻止熱量通過材料的傳導(dǎo)。
噴涂聚氨酯泡沫
噴涂聚氨酯泡沫是一種在建筑外墻上直接噴涂成型的絕熱泡沫塑料。該材料利用聚氨酯現(xiàn)場成型快、自粘結(jié)力強(qiáng)的特點(diǎn)，以液體形式進(jìn)行噴涂，具有噴涂工藝的高效性和聚氨酯泡沫材料的優(yōu)異絕熱性能的優(yōu)點(diǎn)。
聚氨酯泡沫是目前所有合成材料中絕熱性能最優(yōu)秀的一種，同時(shí)具有極佳的耐磨性和防水性。它是國際上公認(rèn)的性能較為理想的絕熱保溫材料之一。聚氨酯泡沫的熱導(dǎo)率很低，只有EPS的1/2，因此也是目前絕熱保溫材料中熱導(dǎo)率最低的材料之一。
在歐美等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，聚氨酯材料已廣泛用于建筑物的屋頂、墻體、天花板、地板、門窗等作為絕熱保溫材料，占建筑絕熱保溫材料的49%。然而在中國，聚氨酯材料在建筑絕熱保溫材料中的占比不到10%。
纖維玻璃絕熱材料
纖維玻璃是一種由玻璃高溫融化后拉絲成細(xì)的纖維狀物質(zhì)，其直徑約為10微米，具有良好的絕緣性能、高溫耐性、耐腐蝕、高機(jī)械強(qiáng)度和不易燃燒的特點(diǎn)。其應(yīng)用于建筑領(lǐng)域可以顯著提高建筑的能效，同時(shí)價(jià)格也相對較為經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。
纖維玻璃材料有兩種類型：一種是纖維玻璃松散填充絕熱材料，另一種是纖維玻璃絕熱材料，根據(jù)密度、寬度和長度的不同可以分為平板狀或卷筒狀。
通常在氣管、水管、屋頂、墻壁和地板等地方可以看到纖維玻璃絕熱材料的身影。
未來方向
納米孔絕熱
最近，超級絕熱材料成為國際保溫隔熱領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，主要包括真空隔熱材料和納米孔材料。雖然許多氣體的導(dǎo)熱系數(shù)比較低，但使用單獨(dú)的氣體作為隔熱材料，會有難以控制的傳熱。需要加入固體相來限制氣體的對流和輻射傳熱，但固體材料的熱導(dǎo)率比靜止空氣大得多。納米孔絕熱材料的基本原理是將固體之間的孔隙限制在納米數(shù)量級，這樣可以控制氣體的對流傳熱，形成低于靜止空氣的熱導(dǎo)率。氣凝膠是一種超級絕熱材料，其空隙大小處于納米級別，氣凝膠納米孔結(jié)構(gòu)使其具有良好的絕緣性能，并具有廣泛的應(yīng)用前景。氣凝膠氈作為其典型代表材料，具有納米級孔徑的多孔結(jié)構(gòu)，常溫導(dǎo)熱系數(shù)為0.018W/(K·m)，低溫環(huán)境下可降至0.009W/(K·m)，目前已廣泛應(yīng)用于管道保溫和工業(yè)設(shè)備保溫領(lǐng)域。
憎水性隔熱
水的熱導(dǎo)率比空氣大很多，在常溫下大約為空氣的23.1倍，在選擇隔熱材料時(shí)需要考慮其吸水率。吸水率非常重要，如果材料吸水，會嚴(yán)重影響隔熱效果，并可能導(dǎo)致金屬腐蝕。由于隔熱材料中空隙的比例很高，通常為80-90%甚至更高，材料的吸水率較高。目前國內(nèi)大部分隔熱材料都不具備憎水性，這增加了對外層防水的要求，導(dǎo)致產(chǎn)品成本上升。未來隔熱材料的發(fā)展方向之一是降低吸水率并提高憎水性能。
真空粉末
真空隔熱材料是一種非常優(yōu)秀的隔熱材料，主要是通過抽出一定空間內(nèi)的氣體，形成真空環(huán)境，再填充細(xì)小粉末，以達(dá)到優(yōu)異的隔熱效果。這種材料的隔熱原理主要有兩個(gè)方面：一是減少氣體的對流傳熱；二是通過細(xì)小粉末之間具有較大的接觸熱阻，抑制固相導(dǎo)熱并對輻射傳熱起到屏蔽作用。相較于純真空夾層隔熱，真空隔熱材料有更好的效果，但制作成本較高，主要用于低溫工程中。如果想在常溫領(lǐng)域推廣應(yīng)用，需要降低成本，并優(yōu)化選擇包封材料、填充材料和真空度。松下電器在20世紀(jì)80年代發(fā)明了一種真空粉末隔熱板，主要用于冰箱保溫，隔熱效果非常好，也可用于其它家電中，節(jié)能效果顯著。
復(fù)合絕熱
復(fù)合隔熱材料是在單層隔熱材料基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，具有優(yōu)良的韌性，能有效減弱對裂紋和熱震的敏感性。其中陶瓷基復(fù)合材料是一種新型材料，由多種材料復(fù)合而成，具有出色的熱防護(hù)性能。在90年代末期，復(fù)合隔熱材料被應(yīng)用于柴油機(jī)排氣管中，主要分為將隔熱物質(zhì)與粘結(jié)劑混合制成的復(fù)合隔熱材料和將不銹鋼絲和耐火纖維棉紡織而成的陶瓷纖維棉布兩種。目前常用于柴油機(jī)排氣管中的隔熱材料有ZBT硅酸鹽保溫隔熱材料以及FBT稀土系列復(fù)合保溫隔熱材料等。近二十年，許多研究人員致力于研發(fā)新型隔熱保溫節(jié)能材料，并出現(xiàn)了許多功能保溫隔熱材料。利用熱噴涂技術(shù)，可以在一些機(jī)動(dòng)車的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管上涂覆高熔點(diǎn)陶瓷涂層，形成熱障涂層，達(dá)到良好的絕熱效果。還有一些學(xué)者則利用自蔓延技術(shù)，在發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣管內(nèi)部燒成陶瓷薄層，起到很好的隔熱作用。近幾年有人采用空心二氧化鋯纖維制備無機(jī)化合物復(fù)合隔熱材料。
參考資料 >
隔熱材料.巖拓科技.2023-03-21
5種常見有機(jī)保溫材料優(yōu)劣比較（多圖掃盲）.建環(huán)視界.2023-03-22
淺析新型建筑保溫隔熱材料的研究及應(yīng)用進(jìn)展.期刊網(wǎng).2023-03-22
影響“隔熱材料”隔熱效果的幾大因素分析.豆丁建筑.2023-03-22
10大建筑絕熱材料，你都了解嗎？.材料科學(xué)網(wǎng).2023-03-22
隔熱材料的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展.豆丁網(wǎng).2023-03-21
保溫隔熱材料發(fā)展歷程及發(fā)展趨勢.中國食品機(jī)械設(shè)備網(wǎng).2023-03-21