气凝胶真空绝热板的隔热性能和寿命研究

发布时间：2020-07-14 04:09

【摘要】：真空绝热板作为超级隔热材料(热导率低至2 mW·m~(-1)·K~(-1))在航空、冰箱、蓄冷和建筑保温等领域具有广泛的应用前景。然而,在建筑应用过程中,真空绝热板的内部气体压力和水蒸气含量会逐渐增大,导致其隔热性能不断退化,使用寿命仅为5-25年。为提高真空绝热板的隔热性能和使用寿命,本文提出了一种以气凝胶隔热板为芯材的真空绝热板(气凝胶真空绝热板)。采用常压干燥、抽真空等工艺制备了气凝胶真空绝热板,分别采用扫描电镜、比表面积/孔径分析仪和光学接触角测量仪表征了其微观结构、孔径分布和疏水角,并采用热流计法导热仪测试了气凝胶真空绝热板芯材的热导率。基于分形交叉球模型、Hamilton模型以及Rosseland方程,建立了气凝胶真空绝热板的热导率计算模型;基于Schwab模型,建立了气凝胶真空绝热板的使用寿命预测模型。模型预测值与实验测试值进行对比,验证了计算模型的可靠性。采用气凝胶真空绝热板的隔热性能和使用寿命预测模型,研究了气凝胶密度和纤维含量对热导率、隔热厚度和使用寿命的影响规律;结果表明,随着纤维含量的变化,热导率存在最小值,使用寿命存在最大值。分别以热导率最小和使用寿命最大为目标,优化了纤维含量,并预测得到了各个气凝胶密度下的最优纤维含量、最小热导率和最大使用寿命。进一步绘制了不同气凝胶密度和纤维含量下的使用寿命等高线图,获得了气凝胶真空绝热板的使用寿命范围;并以使用寿命大于50年为目标,预测获得了满足建筑用真空绝热板的气凝胶密度和纤维含量区域。研究结果可为真空绝热板的建筑节能和经济性应用提供参考。
【学位授予单位】：广州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU551
【图文】：

保温材料,热导率,厚度,防火性

图 1-1 不同保温材料的隔热厚度和热导率（U_value=0.6 W·m-2·K-1）[8].Insulation thickness and thermal conductivity of different types of insulation materials of 0.6 W·m-2·K-1[8].可知，在相同的保温效果时传统建筑保温材料的隔热厚度比新型保温具有易燃和吸湿性强的特征，存在防火性及防水性等方面的缺陷，限

真空绝热,玻璃纤维,形状

-1）而常被用作真空绝热板的芯材，不同类型的玻璃纤维真空绝热板已在隔热保温领域获得了一定的应用（图1-3）[15]。聚氨酯和聚苯乙烯泡沫具有30 250 μm的孔径，当真空压力为10 Pa时，孔径为100 μm聚氨酯的真空热导率为7.8mW·m-1·K-1。相比于泡沫型芯材，气相二氧化硅因具有约7 40 nm的纳米或介孔孔径，能够限制气体传导和在较高气体压力下（2000-10000Pa）保持超低热导率（3.0 6.0mW·m-1·K-1）[14]。同时，具有纳米孔径的气凝胶（2 50 nm），当气体压力小于5000 Pa时，真空热导率可达4 mW·m-1·K-1[16]。图1-3 各种形状的玻璃纤维真空绝热板[15].Fig. 1-3 Different types of VIPs wit

气体压力,热导率,多孔材料,真空绝热

4真空绝热板内部的气体压力是影响其隔热性能的关键参数，不同孔径的芯材随着气体压力的变化具有不同的隔热性能，如图1-4所示[9]。当板内真空压力超过某个临界值（临界压力），热导率则开始呈指数增长。通常，真空板芯材的类型与组成决定其压力临界值，例如玻璃纤维（或开孔泡沫）真空绝热板的极限压力数值低至约100 Pa，而气相二氧化硅（或纳米气凝胶）真空绝热板的则可高达10000 Pa。所以，与玻璃纤维、开孔聚氨酯泡沫以及开孔聚苯乙烯泡沫相比较，具有微孔或纳米多孔结构的沉淀二氧化硅、气相二氧化硅和纳米凝胶材料具有在真空压力下保持极低热导率的特性。因而，可以根据不同类型芯材真空绝热板的临界压力值大小大致判断该芯材真空绝热板的热导率随着使用时间的变化规律。芯材孔径的大小是影响其能否在较高气体压力下仍保持低热导率的能力，研究表明小孔径的芯材可在较高气体压力下保持超低热导率[17]（图1-4）

【参考文献】