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全球領先的氣凝膠技術實力

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全球領先的氣凝膠技術實力
The World's Leading Aerogel Technology Strength

行業新聞

氣凝膠材料隔熱原理

日期:2018/7/3 17:59:21

氣凝膠簡介

    氣凝膠是一種固體物質形態,是世界上密度最小的固體之一。一般常見的氣凝膠為硅氣凝膠,也有碳氣凝膠存在。目前最輕的硅氣凝膠僅有3毫克每立方厘米,比空氣重三倍,所以也被叫做“凍結的煙”或“藍煙”。

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氣凝膠的特性:

* 孔隙率很高,可高達99.8% ;

* 納米級別孔洞(20~100nm)和三維納米骨架顆粒(2~5nm);

* 高比表面積,可高達1000m2/g;

* 低密度,可低至0.003g/cm3;

* 氣凝膠獨特的結構決定了其具有極低的熱導率,常溫下可以低至0.013W/(m·K);

* 強度低,脆性大,由于其比表面積和孔隙率很大,密度很低,導致其強度很低。

氣凝膠的應用:

利用其特性,氣凝膠得到較廣泛應用。例如:氣凝膠中納米大小的氣孔可以像海綿一樣收集各種污染物質。英國諾丁漢人鮑勃擁有了一套用氣凝膠隔熱的房子,房子的保溫效果大大改善。登山者穿著有氣凝膠隔熱鞋墊的登山靴登頂珠穆朗瑪峰只感覺腳底太熱。氣凝膠還可用作催化劑載體、超絕熱燃燒載體、在惡劣氣象條件下可以使用的燃燒質(類似固體酒精)、與燃料電池技術結合、用作光觸媒載體等。

一、熱傳導的三途徑

    宏觀上講,熱的本質就是大量分子的無規則運動的外在表現,一個物體越熱,實際上就是指這個物體的分子運動越激烈。這種運動在氣體中就表現為氣體分子的自由運動;在液體中就表現為液體分子的成團流動;在固體中就表現為固體分子在一定位置上的振動。歸納起來說,導熱一共有三個途徑,分別是:熱傳導、對流和輻射。熱傳導是由于物體分子的熱振動具有相互影響的特性而產生的,其趨勢是使整個物體熱量處處均勻。對流導熱,是由于熱的氣體或者液體密度較小,在重力作用下冷熱液體相對流動而產生的。輻射導熱,則是一切溫度高于絕對零度的物體都具備的,以電磁波的形式向外導熱的方式。為了達到良好的隔熱效果,隔熱材料必須對上述三個導熱的途徑加以抑制。

 

二、材料隔熱原理分析

        Alsion研制的多孔二氧化硅氣凝膠復合隔熱材料能很好的抑制上述三種熱傳導的途徑。

    固體導熱能力的大小,從隔熱材料的角度來說,僅跟材料本身固有的導熱系數,以及材料的密度有關。為了降低材料的密度,一般的隔熱材料均采取制造孔隙的辦法。本公司研制的多孔二氧化硅氣凝膠復合隔熱材料,在這一點上做到了極致;該材料的孔隙率占到了整體積的90%以上,因而材料密度極低,僅為水的四分之一左右。

    然而,因為大部分隔熱材料均含有大量的孔隙,因此孔隙內部所含氣體的對流導熱,成為一個關鍵導熱途徑。據研究,對流導熱僅跟氣體性質和孔隙大小有關。不同隔熱材料用不同辦法來降低材料對流導熱。例如,聚氨脂發泡材料在孔隙中填充了氟利昂氣體,該氣體的導熱率僅有空氣的三分之一,從而獲得了優越的隔熱性能。但因其能嚴重破壞臭氧層曾被二氧化碳等替代,然而二氧化碳等作為填充的聚氨脂材料,又會存在導熱率高的問題。本材料采取了另一個途徑,即減小孔隙直徑的辦法來降低孔隙中空氣的熱導率。經過特殊工藝制得的本材料,其中孔隙的平均直徑僅為50-60納米,約為頭發直徑的千分之一,而空氣分子的平均自由程為70納米左右。在如此之小的空隙中,空氣幾乎無法流動,從而抑制了空氣的對流導熱。氣凝膠材料隔熱原理

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標簽:氣凝膠材料隔熱原理
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