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为什么气凝胶是一种高效保温材料?

浏览:0 发布日期:2018-11-17

  气凝胶是一种具有纳米多孔网络结构的固体材料,是目前世界上最好的固体绝热材料(导热系数低至0.013W/m k),1931年被美国Kistler.S.发明,由于轻雾色泛蓝,又称“蓝烟”、“冰烟”,创下了15次吉尼斯记录,与石墨烯等一起被称为改变世界的十大新材料之一。它也是世界上最轻的固体材料,在热、光学、电、力学、声学等领域具有优异的性能。

  为什么气凝胶被称为世界上最好的固体绝热材料?在回答这个问题之前,让我们先来理解热传递的三种方式。

  热传导:

  热量从物体的更高部分传递到物体下部的方式称为热传导。这是固体传热的主要形式。在气体或液体中,热传导常常与对流同时发生。

  热对流:

  气体或液体流动的传热称为对流。对流是液体与气体之间传热的主要方式,气体的对流比液体的对流更为明显。

  热辐射

  物体因其自身温度而向外发射能量。传热的方式称为热辐射。热辐射是远距离热传递的主要形式,如太阳的热量是以热辐射的形式通过空间然后传递到地球上。

  热传导方式

  从隔热材料的角度来看,固体的导热系数仅取决于材料的材质和密度。纳米气凝胶的密度很低,孔隙率占体积的90%以上,从而显着地降低了固体热传导。由于绝热材料中绝大部分含有大量的孔隙,气体在孔隙中的对流导热成为绝热材料导热的关键途径。通过特殊工艺制备的气凝胶的平均直径仅为头发直径的20nm,约为头发直径的1/1000,而空气分子的平均自由程约为70nm。在这样小的间隙中,空气几乎不能流动,从而抑制了空气的对流热传导。

  此外,由于存在大量纳米尺度的微孔,材料具有几乎无限的孔壁,这些孔壁均可以看作是辐射的反射面和折射面。这种材料的一毫米厚度包含数万层反射和折射面,是一种很好的辐射和热传导屏障。