熱子材料概念

熱子材料是指用于加熱陰極的材料，是旁熱式陰極的一個(gè)組成部分。

由于長(zhǎng)期在較高溫度下工作，要求熱子材料具有高熔點(diǎn)、高溫強(qiáng)度高、蒸發(fā)率低和電阻小等特性。

熱子一般有不帶絕緣層的裸絲、帶絕緣層的和組合式三種形式。絕緣層是將絕緣物質(zhì)加上粘結(jié)劑和有機(jī)溶劑混在一起配制成懸浮漿狀涂料，涂覆在芯絲上，最后高溫?zé)Y(jié)而成。芯絲常用鎢合金絲，如不下垂鎢絲、鎢錸絲、鎢釷絲和鎢鉬合金絲。也有用純鎢制成熱子。

絕緣物質(zhì)要求具有良好的絕緣強(qiáng)度，在高溫工作條件下不脫落不開裂，高的化學(xué)穩(wěn)定性，良好的熱導(dǎo)性和不產(chǎn)生有害污染，一般用耐火氧化物做絕緣物質(zhì)，最理想的是氧化鈹(BeO)，但因有毒，不便生產(chǎn)和使用。大量采用的是α-Al₂O₃、即將氧化鋁粉用于900~1200℃焙燒2小時(shí)以上，使非α型轉(zhuǎn)變?yōu)棣列汀?

粘結(jié)劑通常由硝棉(硝酸纖維素)加醋酸(異)戊酯(或醋酸丁酯、醋酸乙酯)配成硝棉溶液，有機(jī)溶劑有甲醇、乙醇、草酸二乙酯等 。2100433B

絕熱材料（thermal insulating material）

在建筑圍護(hù)或者熱工設(shè)備、阻抗熱流傳遞中，習(xí)慣上把用于控制室內(nèi)熱量外流的材料或者材料復(fù)合體叫做保溫材料（保冷材料）；把防止室外熱量進(jìn)入室內(nèi)的材料或者材料復(fù)合體叫做隔熱材料。保溫、隔熱材料統(tǒng)稱為絕熱材料。

1、絕熱材料的性能要求

導(dǎo)熱性指材料傳遞熱量的能力。材料的導(dǎo)熱能力用導(dǎo)熱系數(shù)表示。導(dǎo)熱系數(shù)的物理意義為：在穩(wěn)定傳熱條件下，當(dāng)材料層單位厚度內(nèi)的溫差為1℃時(shí)，在1h內(nèi)通過1m²表面積的熱量。材料導(dǎo)熱系數(shù)越大，導(dǎo)熱性能越好。工程上將導(dǎo)熱系數(shù)λ<0.23W/m·K的材料稱為絕熱材料。影響材料導(dǎo)熱系數(shù)的因素有：

材料組成：材料的導(dǎo)熱系數(shù)由大到小為，金屬材料>無機(jī)非金屬材料>有機(jī)材料。

微觀結(jié)構(gòu)：相同組成的材料，結(jié)晶結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)最大，微晶結(jié)構(gòu)次之，玻璃體結(jié)構(gòu)最小，如水淬礦渣就是一種較好的絕熱材料。

孔隙率：孔隙率越大，材料導(dǎo)熱系數(shù)越小。

孔隙特征：在孔隙相同時(shí)，孔徑越大，孔隙間連通越多，導(dǎo)熱系數(shù)越大。

含水率：由于水的導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.58W/m·K，遠(yuǎn)大于空氣，故材料含水率增加后其導(dǎo)熱系數(shù)將明顯增加，若受凍（冰λ=2.33W/m·K，）則導(dǎo)熱能力更大。

絕熱材料除應(yīng)具有較小的導(dǎo)熱系數(shù)外，還應(yīng)具有適宜的或一定的強(qiáng)度、抗凍性、耐水性、防火性、耐熱性和耐低溫性、耐腐蝕性，有時(shí)還需具有較小的吸濕性或吸水性等。

室內(nèi)外之間的熱交換除了通過材料的傳導(dǎo)傳熱方式外，輻射傳熱也是一種重要的傳熱方式，鋁箔等金屬薄膜，由于具有很強(qiáng)的反射能力，具有隔絕輻射傳熱的作用，因而也是理想的絕熱材料。

2、絕熱材料的種類及使用要點(diǎn)

絕熱材料對(duì)熱流有較強(qiáng)阻抗作用的材料。主要用于房屋建筑的墻體、屋面或工業(yè)管道、窯爐等的保溫和隔熱。

按照它們的化學(xué)組成可以分為無機(jī)絕熱材料和有機(jī)絕熱材料。常用無機(jī)絕熱材料有多孔輕質(zhì)類無機(jī)絕熱材料、纖維狀無機(jī)絕熱材料和泡沫狀無機(jī)絕熱材料；常用有機(jī)絕熱材料有泡沫塑料和硬質(zhì)泡沫橡膠。

按絕熱原理分為：

①多孔材料?？繜釋?dǎo)率小的氣體充滿孔隙中絕熱。一般以空氣為熱阻介質(zhì)，主要是纖維狀聚集組織和多孔結(jié)構(gòu)材料。氣凝膠氈的絕熱性能最佳，其次泡沫塑料的絕熱性較好，再者為礦物纖維（如石棉）、膨脹珍珠巖和多孔混凝土、泡沫玻璃等。

②反射材料。如鋁箔能靠熱反射減少輻射傳熱，幾層鋁箔或與紙組成夾有薄空氣層的復(fù)合結(jié)構(gòu)，還可以增大熱阻值。絕熱材料常以松散材、卷材、板材和預(yù)制塊等形式用于建筑物屋面、外墻和地面等的保溫及隔熱?？芍苯悠鲋ㄈ缂託饣炷粒┗蚍旁谖蓓敿皣o(hù)結(jié)構(gòu)中作芯材，也可鋪墊成地面保溫層。

纖維或粒狀絕熱材料既能填充于墻內(nèi)，也能噴涂于墻面，兼有絕熱、吸聲、裝飾和耐火等效果。

絕熱材料一方面滿足了建筑空間或熱工設(shè)備的熱環(huán)境，另一方面也節(jié)約了能源。因此，有些國(guó)家將絕熱材料看作是繼煤炭、石油、天然氣、核能之后的“第五大能源”。

3、絕熱材料技術(shù)性能指標(biāo)

絕熱材料的技術(shù)性能指標(biāo)應(yīng)符合絕熱材料的現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

（1）絕熱用巖棉、礦渣棉及其制品

絕熱用巖棉、礦渣棉及其制品，是以巖石、工業(yè)廢渣和石灰石等為主要原料，經(jīng)高溫熔融，用離心力、高溫載能氣體噴吹而成的棉及其制品。產(chǎn)品按結(jié)構(gòu)形式分為棉、板、帶、氈、縫氈、貼面氈和管殼。

（2）絕熱用玻璃棉及其制品

絕熱用玻璃棉及其制品有玻璃棉、玻璃棉板、玻璃棉帶、玻璃棉毯、玻璃棉氈和玻璃棉管殼。產(chǎn)品按采用玻璃棉的纖維平均直徑分為三種。

新型玻璃棉制品有氣凝膠氈，該產(chǎn)品為二氧化硅氣凝膠與玻璃纖維復(fù)合，導(dǎo)熱系數(shù)0.018W/（K·m），絕對(duì)疏水，是市場(chǎng)上導(dǎo)熱系數(shù)最低的納米無機(jī)絕熱材料。

（3）超細(xì)玻璃棉及其制品

超細(xì)玻璃棉及其制品，是以熔融后的玻璃用火焰噴吹或離心噴吹等方法制成纖維平均直徑在3～3.9玻璃纖維氈。使用溫度為400℃以下，作保溫和吸聲用，產(chǎn)品技術(shù)性能指標(biāo)如下。

①纖維平均直徑4μm以下。

②含濕率不大于1%

③粘結(jié)劑含量不大于1%，對(duì)易燃、易爆工程粘結(jié)劑含量。

④渣球含量直徑大于0.5mm，含量不應(yīng)超過0.5%。

（4）泡沫石棉

泡沫石棉是以保溫石棉為主要原料，經(jīng)化學(xué)開棉、發(fā)泡、成型、干燥等工藝制成的泡沫狀制品。其使用溫度在500℃以內(nèi)。

（5）普通硅酸鋁耐火纖維氈

普通硅酸鋁耐火纖維氈，適用于工作溫度不大于1000℃的中性或氧化性氣氛的工業(yè)爐內(nèi)襯及高溫管道保溫。牌號(hào)

（6）硅酸鈣絕熱制品

硅酸鈣絕熱制品有平板、弧形板、管殼、最高使用溫度為923k（650℃）。

（7）膨脹蛭石制品

膨脹蛭石制品，常用的膨脹蛭石制品是以膨脹蛭石為料，以水泥為粘結(jié)劑制成的水泥膨脹蛭石制品。使用溫度范圍為-40～800℃。制品有板、磚、管殼等。

（8）膨脹珍珠巖絕熱制品

膨脹珍珠巖絕熱制品是以膨脹珍珠巖為主要成分，摻加不同種類粘接劑而制成的板、管殼等絕熱制品。

其使用溫度范圍為-50～900℃。

（9）硅藻土隔熱制品

硅藻土隔熱制品有普型、異型和特性，主要用作隔熱層。。

（10）建筑物隔熱用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料建筑物隔熱用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料，是以多元醇/多異氰酸酯為主要原料生產(chǎn)的平板或異性板狀RC/PUR，也可用于箔、金屬膜或片、涂料、紙或其他材料層壓或貼面的RC/PUR。但不適用于管道和容器的隔熱保溫及吸收沖擊聲的消音材料。

類型1產(chǎn)品適用于承受輕負(fù)載，如建筑物屋頂、地板下隔層及類似的用途；類型2適用于承受重負(fù)載，如襯填材料，冷凍室地板等。

（11）工業(yè)設(shè)備、管道絕熱用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料

工業(yè)設(shè)備、管道絕熱用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料制品有板、管殼，適用于-104～5℃的設(shè)備、管道保冷，最高安全使用溫度為100℃。

（12）隔熱用聚苯乙烯泡沫塑料

隔熱用聚苯乙烯泡沫塑料是以含低沸點(diǎn)液體發(fā)泡劑的可發(fā)性聚苯乙烯珠粒經(jīng)加熱預(yù)發(fā)泡后，在模具中加熱成型而制得的具有閉孔結(jié)構(gòu)的聚苯乙烯泡沫塑料，也可用大塊料切割而成其他形狀制品。

隔熱用聚苯乙烯泡沫塑料按用途分為三類：1.類是應(yīng)用時(shí)不承受負(fù)荷，如作為屋頂、墻壁及其他隔熱；2.類是承受有限負(fù)荷，如地板隔熱等；3.類是承受較大負(fù)荷，如停車平臺(tái)隔熱等。

隔熱用聚苯乙烯泡沫塑料分為普通型PT（白色，無阻燃性要求）和阻燃型ZR（混有顏色的顆粒，有阻燃性要求）。

4、絕熱材料的選擇依據(jù)

絕熱既要減少散熱損失，節(jié)能降耗增效，又要保證生產(chǎn)工藝過程安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)運(yùn)行。一般選擇絕熱材料應(yīng)滿足以下要求。

（1）平均溫度≤623K（350℃）時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.12w/（mk）[0.103kcal/（m.h.℃）]，有隨溫度變化的導(dǎo)熱系數(shù)方程式。當(dāng)有數(shù)種絕熱材料可選擇時(shí)，用絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)，乘以單位體積材料價(jià)格（元/m³），乘積小，單位熱阻的價(jià)格低，是經(jīng)濟(jì)的絕熱材料。

（2）絕熱材料密度不大于300kg/m³。纖維類絕熱材料的渣球含量，礦渣棉小于10%；巖棉小于6%；玻璃棉小于0.4%，對(duì)纖維類絕熱材料應(yīng)選擇最佳密度。

（3）硬質(zhì)絕熱材料的抗壓強(qiáng)度不小于392kpa。一般絕熱材料制品，應(yīng)能承受自重，當(dāng)?shù)刈畲箫L(fēng)荷載，冰雪荷載，表面受到碰撞或輕微敲打，不產(chǎn)生殘余變形。

（4）絕熱材料的允許使用溫度應(yīng)高于正常操作時(shí)的生產(chǎn)介質(zhì)最高溫度，保證在安全使用溫度范圍。

（5）絕熱材料的膨脹性、防潮性、耐燃型，均要符合使用要求。

（6）絕熱材料具有化學(xué)穩(wěn)定性，對(duì)金屬無腐蝕作用。

（7）保冷材料在理化性能滿足生產(chǎn)工藝過程要求的前提下，優(yōu)先選用導(dǎo)熱系數(shù)小，密度小，吸水和吸濕率低的材料制品。

（8）按選用保冷材料特征，采用相適應(yīng)的粘結(jié)劑、密封劑配套使用。

（9）絕熱的防潮層材料，選用防水、防潮力強(qiáng)，吸水率不大于1%。使用溫度范圍大，耐火度、軟化溫度不低于65℃，穩(wěn)定性和密封性好，在常溫下使用方便。

（10）絕熱的保護(hù)層材料，選用防水、防潮、化學(xué)穩(wěn)定性和不燃性好，應(yīng)有不開裂、不易老化、強(qiáng)度高的特征。

蓄熱材料相變蓄熱材料

相變蓄熱材料具有蓄放熱過程近似等溫、過程容易控制等優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)今蓄熱材料的研究熱點(diǎn)。1992年，法國(guó)首次研制出用于儲(chǔ)存能量的小球，把球態(tài)可變鹽襯裝在聚合物小球中，然后把小球盛裝在可變體積的容器里，蓄熱量為同樣體積水的10倍。

1998年，美國(guó)對(duì)銨礬和硝酸銨二元相變材料體系進(jìn)行了研究，并將其應(yīng)用于太陽(yáng)能熱水器。我國(guó)在19世紀(jì)80年代初開始開展相變蓄熱材料的研究，早期集中于相變蓄熱材料中的無機(jī)水合鹽類。由于絕大多數(shù)無機(jī)水合鹽都具有腐蝕性,相變過程存在過冷和相分離等缺點(diǎn)，而有機(jī)物相變材料則熱導(dǎo)率低，相變過程的傳熱性能差。為了克服單一無機(jī)物或有機(jī)物相變蓄熱材料存在的缺點(diǎn)，許多研究者開始開發(fā)復(fù)合相變蓄熱材料，如Udidn等以石蠟為相變材料、阿拉伯樹脂和明膠為膠囊體材料制備出膠囊型復(fù)合無機(jī)相變材料，實(shí)驗(yàn)表明，膠囊化石蠟經(jīng)過1000次熱循環(huán)，仍能維持其結(jié)構(gòu)形狀和儲(chǔ)熱密度不變,膠囊化技術(shù)有效地解決了無機(jī)相變材料的泄漏、相分離以及腐蝕性問題。

Xavier制備出有機(jī)復(fù)合相變材料，將有機(jī)物相變蓄熱材料石蠟吸附在具有多孔結(jié)構(gòu)的膨脹石墨內(nèi)，明顯提高了蓄熱材料的熱導(dǎo)率，如純石蠟的熱導(dǎo)率僅為0.24W/m，而復(fù)合石墨后的熱導(dǎo)率提高到4一7W/m。

近年來，有機(jī)/無機(jī)納米復(fù)合材料在聚合物改性以及研制新型蓄熱材料方面得到了廣泛應(yīng)用。張正國(guó)等將有機(jī)/無機(jī)納米復(fù)合材料擴(kuò)展到蓄熱材料領(lǐng)域,提出將有機(jī)相變材料與無機(jī)物進(jìn)行納米復(fù)合的方案，制備出硬脂酸/膨潤(rùn)土納米復(fù)合相變蓄熱材料，復(fù)合材料的相變潛熱值基本不變而儲(chǔ)放熱速率明顯提高，且經(jīng)1500次循環(huán)試驗(yàn)后復(fù)合相變材料仍具有很好的結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定性。有機(jī)/無機(jī)復(fù)合相變蓄熱材料的制備，不僅可利用無機(jī)物的高熱導(dǎo)率來提高有機(jī)物相變蓄熱材料的導(dǎo)熱性能，而且納米復(fù)合技術(shù)將有機(jī)相變儲(chǔ)熱材料和無機(jī)載體充分結(jié)合起來，提高復(fù)合相變蓄熱材料的蓄熱密度和循環(huán)穩(wěn)定性。

蓄熱材料吸附蓄熱材料

在沸石、硅膠等多孔材料對(duì)水發(fā)生物理吸附的過程中，伴隨著大量的物理吸附熱，可以用于熱量的儲(chǔ)存和利用。Close等首先利用開式吸附床的吸附/解吸循環(huán)，以沸石為吸附材料、濕蒸汽(水)為載體實(shí)現(xiàn)了低溫?zé)醿?chǔ)存。吸附蓄熱材料克服了傳統(tǒng)蓄熱方法的缺陷，在蓄熱過程中無熱量損失，為蓄熱技術(shù)開辟了新天地。

由于分子篩作為吸附蓄熱材料時(shí)對(duì)水的吸附屬于物理吸附，吸附平衡量和吸附循環(huán)量不高，因此有研究者利用沸石分子篩規(guī)整而穩(wěn)定的孔隙結(jié)構(gòu)，把對(duì)水吸附容量比較高的氯化鈣填充進(jìn)去，從而制備出既具有高吸附蓄熱容量又具有穩(wěn)定吸附蓄熱性能的復(fù)合吸附蓄熱材料。朱冬生等以分子篩為基體，使氯化鈣填充進(jìn)人分子篩制備出吸附蓄熱復(fù)合材料，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)復(fù)一合吸附劑的最大吸附量可達(dá)0. 55 kg/kg，，用于蓄熱時(shí)其蓄熱密度達(dá)到1000 kJ/kg以上，與顯熱蓄熱和相變潛熱蓄熱材料相比在蓄熱能力上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

除分子篩吸附蓄熱材料的應(yīng)用外，硅膠等其他多孔材料也被用于吸附蓄熱技術(shù)。如Aristov將CaCl₂植人中孔硅膠內(nèi)部，崔群等發(fā)現(xiàn)在復(fù)合吸附劑的制備過程中還需加入擴(kuò)孔劑以增加孔容和孔徑，才可改善復(fù)合吸附材料的吸附性能，以使其吸附量顯著提高。

在進(jìn)一步提高復(fù)合吸附蓄熱材料的蓄熱能力和循環(huán)方面，MrowierBialon用四乙氧基硅烷制成復(fù)合多孔材料，1kg該吸附劑的水蒸氣吸附量超過1kg，而且經(jīng)過50次循環(huán)實(shí)驗(yàn)，該復(fù)合吸附材料的吸附性能無明顯改變。 這種由分子篩等多孔材料和吸濕性無機(jī)鹽復(fù)合而制得的吸附蓄熱材料，一方面使無機(jī)鹽的化學(xué)吸附蓄熱循環(huán)過程發(fā)生在多孔材料的孔道內(nèi)，改善了吸附蓄熱過程的傳熱和傳質(zhì)性能;另一方面，多孔材料對(duì)吸附質(zhì)也具有吸附作用，不僅提高了復(fù)合吸附材料的總吸附量和蓄熱密度，而且物理吸附作為化學(xué)吸附的前驅(qū)態(tài)還促進(jìn)了無機(jī)鹽的化學(xué)吸附。