隨著能源的日益匱乏及能源價格的不斷上漲,節(jié)能降耗勢在必行。為此,在工業(yè)爐和高溫設(shè)備上有針對性地采用低導(dǎo)熱耐火制品的趨勢越來越明顯。傳統(tǒng)隔熱耐火材料一般有輕質(zhì)磚、輕質(zhì)不定形材料、耐火纖維材料等,由于其隔熱效果不是太理想,不能滿足日益提高的隔熱要求。隨著納米技術(shù)的發(fā)展,高隔熱性能的納米隔熱板問世,而且在國外已被廣泛應(yīng)用。2006年,國內(nèi)也開發(fā)出了熱導(dǎo)率與國外產(chǎn)品相當?shù)募{米隔熱板,并能批量生產(chǎn)。本文主要向大家介紹一下納米隔熱板的隔熱原理及與其他隔熱材料的隔熱效果比較。

1　納米隔熱板的隔熱原理

現(xiàn)有理論和試驗表明,物體的熱導(dǎo)率與其尺度有關(guān),例如:SiO2固體(石英,軸向)的熱導(dǎo)率為41.6W·m-1·K-1,SiO2凝膠粉的熱導(dǎo)率為0.035W·m-1·K-1,而SiO2氣凝膠的熱導(dǎo)率為0.014～0.016W·m-1·K-1;當無機纖維直徑由15μm減小到3μm時,礦物纖維棉的熱導(dǎo)率降低12%,玻璃纖維棉的熱導(dǎo)率降低6%。

根據(jù)微納米尺度傳熱學(xué),當介質(zhì)尺度減小至微納米級時,導(dǎo)熱體可以變成熱絕緣體。也就是說,當介質(zhì)尺度小于熱載子(分子、原子、電子、聲子和光子等)的平均自由行程時,尺度效應(yīng)和界面效應(yīng)明顯,接觸熱阻增大,熱導(dǎo)率減小,熱傳遞能力降低。因此,微納米尺度傳熱學(xué)與宏觀傳熱學(xué)的重要區(qū)別就在于反映介質(zhì)熱量傳輸?shù)臒釋?dǎo)率、比熱容等參數(shù)對介質(zhì)尺度的依賴性。

制備納米隔熱板的主要原料是大孔容納米粉料。由于氣孔率高,熱導(dǎo)率就低;按照國際標準ISO2245-1972的規(guī)定,隔熱制品的氣孔率至少達到45%,一般隔熱制品的氣孔率為70%,而大孔容納米粉料的孔隙率為1.8mL·g-1。所以用大孔容納米粉料可以生產(chǎn)出很低導(dǎo)熱的隔熱板。

2　試驗

2.1　原料

研制納米隔熱板的主要原料有納米二氧化硅、納米三氧化二鋁、氧化鋯、結(jié)合劑。其化學(xué)組成見表1。
 

2.2　試驗方法

將10%～20%(質(zhì)量分數(shù),下同)的納米二氧化硅、50%～70%的納米三氧化二鋁、5%～10%的氧化鋯和5%～10%(外加)的結(jié)合劑混勻后,成型為200mm×25mm的試樣,按一定方法處理后,按相關(guān)標準檢測其物理性能。

2.3　試驗結(jié)果

研制的納米隔熱板的理化性能指標見表2。此納米隔熱板是由納米粉料和特制液態(tài)結(jié)合劑混合后成型的一種新型材料,其熱導(dǎo)率很低,比靜態(tài)空氣的還要小。在高溫下,納米隔熱板的隔熱效果比傳統(tǒng)隔熱材料的高3～4倍。要達到同樣熱工條件下的隔熱效果,納米隔熱板的厚度只需陶瓷纖維材料厚度的1/4。
 

納米隔熱板與其他隔熱材料熱導(dǎo)率的比較見圖1。隔熱效果的比較見圖2。