轻薄柔性多层隔热材料的应用分析

2013-09-07

中国新技术新产品 2013年21期

（中国兵器工业第五九研究所，重庆 400039）

随着我国科学技术的发展，材料的更新换代越来越快了，这也是和人们对于材料要求的不断提高成正比的，其中人们对于隔热材料的要求也正在呈现着多样化的趋势，在这众多的隔热材料中轻薄柔性多层隔热材料颇受人们的亲睐，它的众多突出优点在各个方面都得到了很好的应用，尤其是其中最为主要的轻、薄、柔、多层抗压等特性颇受人们喜爱，在实际应用的过程中作用很大。

一、隔热材料分类

隔热材料的分类有很多，根据不同的材质、特征、形状等都可以分为不同的种类，下面我就简单的介绍几种常见的比较具有代表性的几种隔热材料类别。

1 纤维质隔热材料

纤维质隔热材料，顾名思义就是指主要采用无机纤维做成的隔热材料，一般用到的主要纤维材料有氧化错纤维、石英纤维、氧化铝纤维和硅酸铝纤维，这种纤维质隔热材料的主要优点就是隔热性能较好，能够耐高温，并且因为是无机纤维造成所以一般来说质量都比较轻，它的存在形式一般有毡、布、网、纸等四种。在这些众多的纤维材料中天然韧皮纤维的重要性是极为突出的，其中又以亚麻和大麻最为常用，它们主要是被用做填充料，因为这些纤维材料都具备多孔、密度较低的特性，所以具备低导热性能，隔热性能良好。

2 多层反射热控材料

多层反射热控材料是当前科技含量较高的一种隔热材料，这种材料多被应用在航天飞机、宇宙飞船和卫星上，该材料的主要组成部分有三样：多层反射屏、纤维以及一些金属碎片掺杂在其中，其中金属碎片的掺加需要根据材料的具体需要具体设计。多层反射热控材料在我国主要用来作为低温复合隔热材料使用。我们都知道航天器中光照面和背光面的温差是极其巨大的，一般都能达到四五百度，这时就需要采用这种多层反射热控材料来进行减少温差的操作，一般是用多层金属箔和纤维合成这种材料进行使用，该材料的导热系数一般达到3.52×10-4W/（m·K）便能起到良好的隔热效果，应用范围极广。

3 顺粒型隔热材料

顺粒型隔热材料也是当前较为先进的一种隔热材料，它与其它隔热材料最大的不同是它是空心的，因此，密度较低，导热性能也比较差，它一般不会用来单独使用，它的主要作用是用来填充到其他的材料中作为填充剂使用，更好地增加原有材料的隔热性能。比如，当前返回式卫星就用到了该种材料，SiO2气凝胶颗粒的研发并应用到卫星上为航天事业做出了巨大贡献，这种气凝胶的传热系数一般来说都是小于0.4W/（m2·K），起到了很好的隔热作用。

二、国内外轻薄柔性多层隔热材料的研究状况

对于轻薄柔性多层隔热材料不管是国内还是国外都做了相当长的一段时间的研究，并且取得了相当大的成果，其应用范围也正在逐步扩大。

1 国外轻薄柔性多层隔热材料的研究状况

国外针对轻薄柔性多层隔热材料的研究主要以美国最为先进，美国研究的轻薄柔性多层隔热材料主要就是通过不同材质的材料进行叠加形成的，主要用到的材料有反射层铝箔和一些性能较好的纤维，通过这两种材料的不用排列顺序的叠加形成各种不同性能的材料应用到不同的方面，其中主要的结构有以下五种，如图1。

图1当中，这五种材料都是由多层叠加而成的，在这些层当中纤维材料主要是 12，32，92，20，54，78，96，36，这些层的主要作用就是防火和隔热；反射层铝箔主要有16，38，72，主要的作用就是反射热量，并且起到保护的作用；其他的一些材料主要是额外添加的复合物，比如泡沫层为14，34，52，76，94，18，40，74为聚醋层，主要起到辅助的作用。

图1 多层防火隔热材料的结构

这种多层柔性材料在制作和使用的过程中相当的麻烦，因为很多地方对于这种材料的要求较高，不仅仅限于隔热和防火性能上，对于柔性也有相当要求，因此就加大了材料加工的成本，并且层与层之间的黏合也比较麻烦，需要进行严格的设计。但是，越是制作麻烦的材料其应用范围也越广，性能也就越好，比如，美国研制的一种由反射金属箔和泡沫等制成的材料在建筑和织物方面均具有良好的应用前景，并且在添加了必要的填充剂之后还可以增加其反射性能，增大燃点到1100摄氏度以上，防止堵塞，这众多的优点都被开发利用到美国人常用到的建筑材料和一些床垫等家居用品上。

2 国内轻薄柔性多层隔热材料的研究状况

国内对于轻薄柔性多层隔热材料的研究也有了一段不短的历史，其主要思路也是采取不同的材料进行黏贴叠加从而形成性能优越的兼具柔性的隔热材料，一般国内的多层隔热材料的两面是由纤维织物和涂层织物构成，内部则填充一些金属复合物或者一些高聚物。当前我国较为先进的可用于黏贴的材料有很多，其中最具代表性的有聚酞亚胺薄膜和PET-3隔热膜两种。聚酞亚胺薄膜最主要的优势在于其可承受的温度范围较广，一般在-269-400摄氏度都可以使用，此外，一些其他的性能也较好，比如耐溶剂性强、稳定性好、不易开裂、绝缘性好、耐辐射，这些优点使其在航空领域颇受重视，是当前应用最广的一种航空航天隔热材料和保温材料，导热系数极低，一般为0. 013 W/（m2·K）。PET-3隔热膜的导热系数也比较低，一般为0.029-0. 030 W/（m2·K），并且其抗静电性能也较好，还可以防虫蛀，厚度也极为小，仅为4-5mm，和其他一些隔热材料共同使用能起到很好的效果。

三、多层隔热原理及设计思想

多层隔热材料的设计原理主要为以下几点：（1）反射屏的材料一般选用发射率较高的铝箔或者是一些镀铝的材料，这样就能够很好的反射热射线，防止热量进入材料内部；（2）材料中间填充一些导热性能较差的材质，不利于热传导的发生，有效阻隔热的传递；（3）针对材料内部的热对流引起的热传递一般是采用低压强下操作进行以发挥其最大作用。其设计思想主要有:（1）热辐射与表面发射率成正比，与反射屏数量成反比，因此，我们应该采取多层反射屏设计；（2）固体接触导热量与其热导率成正比，因此，加入一些间隔物以降低其热导率，此外，还需要我们在进行包扎时尽可能的减小压力以减小接触面积。

四、筛选柔性多层隔热材料

筛选柔性多层隔热材料对于整个的轻薄柔性多测光隔热材料来说是极为重要的，原材料用得好最后的成品质量才能达到最佳效果。一般说来，间隔层应该选取密度较低、导热性能差的材料，反射屏则应该选择高发射率的材料，越高的反射率越好，总体的各层材料都应该选取导热性能最差的材料来进行粘合，粘合剂也应该注意选取的质量。此外，还应该把各层做成波纹状的表面，以降低接触面积进而降低传热的能力。