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隔热材料

隔热材料

隔热材料是指能够减少热量传递的一类材料，可以有效减少建筑、机器设备、航空航天器等物体的热损失，从而提高能源利用效率。热隔离材料被广泛应用于建筑、工业、汽车、航空航天等领域，以达到减少能源消耗、降低环境污染等目的。

常见的热隔离材料有传统绝热材料（玻璃纤维、石棉、岩棉、硅酸盐）和新型绝热材料（气凝胶毡、真空板），以及玻璃棉、聚氨酯[zhǐ]泡沫、聚苯板、聚乙烯泡沫、耐火纤维等。

定义

隔热材料可以分为多孔材料、热反射材料和真空材料三类。多孔材料利用自身孔隙的隔热性能来减少热量传递，如泡沫材料、纤维材料等；热反射材料则通过反射热量来降低传热，如金属箔或镀金属的聚酯、聚酰亚胺薄膜等；而真空绝热材料则通过利用材料内部的真空阻挡对流来实现隔热。航空航天工业对隔热材料的要求较高，除了具备隔热功能外，还需要具备隔音、减振、防腐蚀等性能。常用的隔热材料包括泡沫塑料、超细玻璃棉、高硅氧棉、真空隔热板等。不同的飞行器需要的隔热材料也不尽相同，比如飞机座舱和驾驶舱内通常采用泡沫塑料、超细玻璃棉、高硅氧棉、真空隔热板等材料来隔热。

原理

在建筑物中热量可以通过传导、对流和辐射三种方式进行传递。

在夏季里瓦屋顶的温度升高会导致大量的辐射热进入室内，使室内温度持续升高，进而使得人们的工作和生活环境变得非常不舒适。

Dike铝箔卷材的太阳辐射吸收系数（法向全辐射放射率）为0.07，这意味着它吸收的太阳辐射热量较少。因此铝箔卷材在建筑物屋顶和墙体的隔热保温中被广泛应用。

没有隔热膜的情况下，热能传播路径如下：太阳的红外线辐射和磁波通过空气到达瓦片表面——使其温度上升——瓦片成为热源放射热能——再撞击到现浇屋面使其温度升高——现浇屋面也成为热源放射热能——导致室内环境温度持续上升。

经过隔热膜处理的热能传播路线为：太阳——红外线磁波——热能撞击瓦片使温度升高——瓦片成为热源放射出热能——热能撞击铝箔使表面温度升高——铝箔的放射率很低，放射出的热能较少——室内环境温度保持在一个舒适的范围内。

影响因素

材料类型

隔热材料的种类和物质构成的不同会导致其导热系数的不同，不同的隔热机理也会影响隔热材料的热性能。即使对于相同的物质构成的隔热材料，其内部结构和生产控制工艺的不同也可能导致导热系数的差异很大。对于孔隙率较低的固体隔热材料，结晶结构的导热系数最大，微晶体结构次之，玻璃体结构的最小。但对于孔隙率较高的隔热材料，气体(空气)对导热系数的影响起到主要作用，固体部分无论是晶态结构还是玻璃态结构，对导热系数的影响都不大。

工作温度

各种绝热材料的导热系数都会受到温度的直接影响，当温度升高时材料的导热系数也会上升。因为随着温度的升高，材料内部的空气导热能力和辐射作用也会增强，在温度为0-50°C的范围内，这种影响并不显著，只有在高温或负温下的材料才需要考虑温度的影响。

含湿比率

绝大多数保温隔热材料都是多孔结构容易吸湿。当材料吸湿受潮后，导热系数会增大。在多孔材料中，当含湿率大于5%-10%时，导热系数的增大最为明显。这是因为含水分后，水分子的运动将成为主要的传热方式，而水的导热系数比空气大20倍左右，因此有效导热系数明显升高。如果孔隙中的水结成了冰，其导热系数更大，导致材料导热系数增大，在应用非憎水型隔热材料时，必须注意防水避潮。

孔隙特征

当隔热材料的孔隙率相同时，孔隙尺寸越大，材料的导热系数越大，具有相互连通的孔隙结构的隔热材料比封闭型孔隙结构的隔热材料具有更高的导热系数。对于封闭型孔隙结构的隔热材料来说，其孔隙率越高，则其导热系数越低。

容重大小

密度是保温隔热材料气孔率的直接反映。气相的导热系数通常比固相导热系数小，保温隔热材料往往具有较高的气孔率和较小的密度。通常情况下增大气孔率或降低密度都将导致导热系数的下降，对于表观密度很小的材料，特别是纤维状材料，当其表观密度低于某一极限值时，导热系数反而会增大。这是由于孔隙率增大时，互相连通的孔隙大大增多，从而使对流作用得以加强，这类材料存在一个最佳表观密度，即在这个密度时导热系数最小。

材料粒度

在常温下，松散颗粒型材料的导热系数会随着材料粒度的减小而降低。当粒度较大时，颗粒之间的空隙尺寸也会增大，空气的导热系数会随之增大。此外粒度越小材料的导热系数对温度变化的影响就越小。

热流方向

各向异性的材料在纤维排列状态不同时，对热流方向的阻力也不同。一般保温材料的纤维排列较为平行，其密度条件下的导热系数比其他多孔质保温材料小得多。对于木材等各向异性材料，当热流平行于纤维方向时阻力较小，而垂直于纤维方向时阻力较大，气孔质材料分为气泡类和粒子相互轻微接触类两种。由于气孔连通方向与传热方向更接近于平行，具有大量开口气孔的隔热材料绝热性能比大量封闭气孔材料差。

填充气体

隔热材料的热传导主要来自于孔隙内的气体传导，因此隔热材料的热导率受到填充气体种类的很大影响。在低温工程中，如果填充氨气或氢气，可以近似认为隔热材料的热导率与这些气体的热导率相当，因为氮气和氢气的热导率都比较大。

比热容

热导率是指热扩散系数、比热和密度三者的乘积。在热扩散系数和密度相同的情况下，比热越大，导热系数越高。隔热材料的比热与计算绝热结构在冷却和加热时所需的冷量(或热量)有关。在低温下，所有固体的比热都会大幅变化。在常温常压下，空气的质量不超过隔热材料的5%，但随着温度下降，气体所占比例越来越大。在计算常压下工作的隔热材料时，应考虑这一因素的影响。对于隔热材料，表观密度和湿度的影响最大，因此在测定材料的导热系数时，必须同时测定表观密度。对于多数隔热材料，可以以空气相对湿度80%到85%时材料的平衡湿度作为参考状态，尽可能在这种湿度条件下测定导热系数。

真空

热传导主要有三种方式：对流、传导和辐射，其中对流是最主要的方式。如果采用真空将对流阻隔掉，导热系数就会大大降低，就像保温瓶一样。隔热材料中的骨架可能通过传导方式传导热量，因此使用导热系数低的玻璃纤维来做骨架，在外表加上铝膜包装袋可以阻挡辐射，这种材料的导热系数是最小的。

代表材料

矿物棉

矿物棉是指岩棉、矿渣棉、玻璃棉、硅酸铝棉及其制品，其特点是体积密度小、导热系数低，不易燃烧，能耐高温、抗冻、耐腐蚀、不受虫蛀，且化学稳定性良好。

自20世纪50年代起，矿物棉主要用于工业隔热，广泛应用于各种建筑物中，并形成了一个比较完善的产品体系，包括毡、板、管壳、块、垫、绳、板等各种类型。矿物棉是中国主要的工业和建筑隔热隔音材料，特别是在我国西部、北部采暖地区，以及农村和贫困地区的采暖建筑，其应用前景非常广阔。

隔热棉

隔热棉是一种保温隔热材料，它采用废旧棉织物（如牛仔裤）经过无毒、防火、驱虫的硼处理后再处理而成。隔热棉不仅在环境和健康安全方面备受赞誉，而且其性质比其他多种绝热材料更为优异。

隔热棉是一种适合在寒冷气候下使用的保温隔热材料，能够帮助保持房屋内部的温度。隔热棉呈平板状，安装方法类似于纤维玻璃绝热材料的安装，安装隔热棉时，无需佩戴呼吸口罩或安全设备，也不需要在产品上标注警告标签。

反射绝热材料

反射建筑绝热材料主要由透明性好的树脂和高反射率填料组成，常用的高反射率填料是玻璃空心微珠。玻璃微珠也称为多功能空心添加剂，颗粒呈圆形或近似圆形，表面光滑坚硬，结构致密且对各种液体介质几乎不吸收。它能够很好地反射入射的光、热等波，其密度低、导热系数小，能够有效地隔绝传热。

反射建筑绝热材料通常用于建筑物的屋顶子、墙体或楼盖搁栅等部位。它利用材料对光和热的高反射作用，能够使太阳照射到材料上的大部分能量得到反射，而不是被材料吸收。同时，由于该材料的导热系数很小，绝热性能很好，能够有效阻止热量通过材料的传导。

喷涂聚氨酯泡沫

喷涂聚氨酯泡沫是一种在建筑外墙上直接喷涂成型的绝热泡沫塑料。该材料利用聚氨酯现场成型快、自粘结力强的特点，以液体形式进行喷涂，具有喷涂工艺的高效性和聚氨酯泡沫材料的优异绝热性能的优点。

聚氨酯泡沫是目前所有合成材料中绝热性能最优秀的一种，同时具有极佳的耐磨性和防水性。它是国际上公认的性能较为理想的绝热保温材料之一。聚氨酯泡沫的热导率很低，只有EPS的1/2，因此也是目前绝热保温材料中热导率最低的材料之一。

在欧美等发达国家和地区，聚氨酯材料已广泛用于建筑物的屋顶、墙体、天花板、地板、门窗等作为绝热保温材料，占建筑绝热保温材料的49%。然而在中国，聚氨酯材料在建筑绝热保温材料中的占比不到10%。

纤维玻璃绝热材料

纤维玻璃是一种由玻璃高温融化后拉丝成细的纤维状物质，其直径约为10微米，具有良好的绝缘性能、高温耐性、耐腐蚀、高机械强度和不易燃烧的特点。其应用于建筑领域可以显著提高建筑的能效，同时价格也相对较为经济实惠。

纤维玻璃材料有两种类型：一种是纤维玻璃松散填充绝热材料，另一种是纤维玻璃绝热材料，根据密度、宽度和长度的不同可以分为平板状或卷筒状。

通常在气管、水管、屋顶、墙壁和地板等地方可以看到纤维玻璃绝热材料的身影。

未来方向

纳米孔绝热

最近，超级绝热材料成为国际保温隔热领域的研究热点，主要包括真空隔热材料和纳米孔材料。虽然许多气体的导热系数比较低，但使用单独的气体作为隔热材料，会有难以控制的传热。需要加入固体相来限制气体的对流和辐射传热，但固体材料的热导率比静止空气大得多。纳米孔绝热材料的基本原理是将固体之间的孔隙限制在纳米数量级，这样可以控制气体的对流传热，形成低于静止空气的热导率。气凝胶是一种超级绝热材料，其空隙大小处于纳米级别，气凝胶纳米孔结构使其具有良好的绝缘性能，并具有广泛的应用前景。

憎水性隔热

水的热导率比空气大很多，在常温下大约为空气的23.1倍，在选择隔热材料时需要考虑其吸水率。吸水率非常重要，如果材料吸水，会严重影响隔热效果，并可能导致金属腐蚀。由于隔热材料中空隙的比例很高，通常为80-90%甚至更高，材料的吸水率较高。目前国内大部分隔热材料都不具备憎水性，这增加了对外层防水的要求，导致产品成本上升。未来隔热材料的发展方向之一是降低吸水率并提高憎水性能。

真空粉末

真空隔热材料是一种非常优秀的隔热材料，主要是通过抽出一定空间内的气体，形成真空环境，再填充细小粉末，以达到优异的隔热效果。这种材料的隔热原理主要有两个方面：一是减少气体的对流传热；二是通过细小粉末之间具有较大的接触热阻，抑制固相导热并对辐射传热起到屏蔽作用。相较于纯真空夹层隔热，真空隔热材料有更好的效果，但制作成本较高，主要用于低温工程中。如果想在常温领域推广应用，需要降低成本，并优化选择包封材料、填充材料和真空度。松下电器在20世纪80年代发明了一种真空粉末隔热板，主要用于冰箱保温，隔热效果非常好，也可用于其它家电中，节能效果显著。

复合绝热

复合隔热材料是在单层隔热材料基础上发展而来的，具有优良的韧性，能有效减弱对裂纹和热震的敏感性。其中陶瓷基复合材料是一种新型材料，由多种材料复合而成，具有出色的热防护性能。在90年代末期，复合隔热材料被应用于柴油机排气管中，主要分为将隔热物质与粘结剂混合制成的复合隔热材料和将不锈钢丝和耐火纤维棉纺织而成的陶瓷纤维棉布两种。目前常用于柴油机排气管中的隔热材料有ZBT硅酸盐保温隔热材料以及FBT稀土系列复合保温隔热材料等。近二十年，许多研究人员致力于研发新型隔热保温节能材料，并出现了许多功能保温隔热材料。利用热喷涂技术，可以在一些机动车的发动机排气管上涂覆高熔点陶瓷涂层，形成热障涂层，达到良好的绝热效果。还有一些学者则利用自蔓延技术，在发动机的排气管内部烧成陶瓷薄层，起到很好的隔热作用。近几年有人采用空心二氧化锆纤维制备无机化合物复合隔热材料。

参考资料

隔热材料.岩拓科技.2023-03-21

5种常见有机保温材料优劣比较（多图扫盲）.建环视界.2023-03-22

浅析新型建筑保温隔热材料的研究及应用进展.期刊网.2023-03-22

影响“隔热材料”隔热效果的几大因素分析.豆丁建筑.2023-03-22

10大建筑绝热材料，你都了解吗？.材料科学网.2023-03-22

隔热材料的研究现状及进展.豆丁网.2023-03-21