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气凝胶材料隔热原理

气凝胶简介


   气凝胶是一种固体物质形态,是世界上密度最小的固体之一。一般常见的气凝胶为硅气凝胶,也有碳气凝胶存在。目前最轻的硅气凝胶仅有3毫克每立方厘米,比空气重三倍,所以也被叫做“冻结的烟”或“蓝烟”。


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气凝胶的特性:


* 孔隙率很高,可高达99.8% ;


* 纳米级别孔洞(20~100nm)和三维纳米骨架颗粒(2~5nm);


* 高比表面积,可高达1000m2/g;


* 低密度,可低至0.003g/cm3;


* 气凝胶独特的结构决定了其具有极低的热导率,常温下可以低至0.013W/(m·K);


* 强度低,脆性大,由于其比表面积和孔隙率很大,密度很低,导致其强度很低。


气凝胶的应用:


利用其特性,气凝胶得到较广泛应用。例如:气凝胶中纳米大小的气孔可以像海绵一样收集各种污染物质。英国诺丁汉人鲍勃拥有了一套用气凝胶隔热的房子,房子的保温效果大大改善。登山者穿着有气凝胶隔热鞋垫的登山靴登顶珠穆朗玛峰只感觉脚底太热。气凝胶还可用作催化剂载体、超绝热燃烧载体、在恶劣气象条件下可以使用的燃烧质(类似固体酒精)、与燃料电池技术结合、用作光触媒载体等。


一、热传导的三途径


   宏观上讲,热的本质就是大量分子的无规则运动的外在表现,一个物体越热,实际上就是指这个物体的分子运动越激烈。这种运动在气体中就表现为气体分子的自由运动;在液体中就表现为液体分子的成团流动;在固体中就表现为固体分子在一定位置上的振动。归纳起来说,导热一共有三个途径,分别是:热传导、对流和辐射。热传导是由于物体分子的热振动具有相互影响的特性而产生的,其趋势是使整个物体热量处处均匀。对流导热,是由于热的气体或者液体密度较小,在重力作用下冷热液体相对流动而产生的。辐射导热,则是一切温度高于绝对零度的物体都具备的,以电磁波的形式向外导热的方式。为了达到良好的隔热效果,隔热材料必须对上述三个导热的途径加以抑制。



二、材料隔热原理分析


       Alsion研制的多孔二氧化硅气凝胶复合隔热材料能很好的抑制上述三种热传导的途径。


   固体导热能力的大小,从隔热材料的角度来说,仅跟材料本身固有的导热系数,以及材料的密度有关。为了降低材料的密度,一般的隔热材料均采取制造孔隙的办法。本公司研制的多孔二氧化硅气凝胶复合隔热材料,在这一点上做到了极致;该材料的孔隙率占到了整体积的90%以上,因而材料密度极低,仅为水的四分之一左右。


   然而,因为大部分隔热材料均含有大量的孔隙,因此孔隙内部所含气体的对流导热,成为一个关键导热途径。据研究,对流导热仅跟气体性质和孔隙大小有关。不同隔热材料用不同办法来降低材料对流导热。例如,聚氨脂发泡材料在孔隙中填充了氟利昂气体,该气体的导热率仅有空气的三分之一,从而获得了优越的隔热性能。但因其能严重破坏臭氧层曾被二氧化碳等替代,然而二氧化碳等作为填充的聚氨脂材料,又会存在导热率高的问题。本材料采取了另一个途径,即减小孔隙直径的办法来降低孔隙中空气的热导率。经过特殊工艺制得的本材料,其中孔隙的平均直径仅为50-60纳米,约为头发直径的千分之一,而空气分子的平均自由程为70纳米左右。在如此之小的空隙中,空气几乎无法流动,从而抑制了空气的对流导热。


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