耐高低温柔性多层隔热材料结构与隔热性表征
柔性防护材料是人类探索世界和宇宙时，在特殊场合下仍能正常操作移动的必要条件。实际应用中亦已提出对在高、低温环境下性能保持柔性、轻质材料的需求，如空间技术、探险、运动、特殊工程等。柔性超薄隔热材料是人体热防护或可变形隔热的基本用材。柔性或运动无障碍隔热材料一般通过两种途径实现:一是纤维集合体物质，但厚度偏大，密封性差;一是薄膜多层组合物，但柔性和隔热性会受到影响。
本文主要研究柔性多层复合隔热材料，用于对高温(150℃)环境、低温(-150℃）环境的温场隔绝。依据对隔热材料本身性能与传热关系的分析，整体设计出由反射屏与间隔材料组合的柔性多层隔热材料的结构，实现了超薄、柔性、高效的隔绝目标，并对柔性多层隔热材料的制备与加工工艺做了简单的介绍。与金属箔相比，镀金属薄膜强度高、重复使用性好，且金属铝与聚酯的结合性能好且价格低，故选择镀铝聚酯薄膜作为反射屏。分别对六种规格的镀铝聚酯薄膜做了性能测试，从而选择复合膜(6μm PET+0.03μm Al+8μm PET）作为多层隔热材料的反射屏;在反射屏相同的情况下，分别添加四种不同间隔材料，对组合而成的柔性多层隔热材料的导热系数和热阻进行比较，从而选择涤纶丝网状织物(网孔内添加羽绒)作为柔性多层隔热材料的间隔物;进而对多层复合膜与间隔物的组合方式与接触状态做了相应的研究，得出了隔绝性能较好的组合形式。
通过对多层隔热材料小样的性能测试，得出满足课题要求的最终成型小样，其结构为:外层织物+中闻层（11层复合膜，相邻屏间间隔涤纶衬网，为提高隔热性能，衬网闻添加羽绒)+外层织物;同时。对复合膜进行揉皱处理，以达到材料最优的隔热性质。这使最终成型小样的单位面积重量为475.52 g/m2，导热系数为0.0326 W/m·K，保温率为87.72％，传热系数均值为1.333 W/m2·℃，克罗值为4.862。当成型小样外层承受160℃的高温环境2小时后，其内层的温度大约保持在43.2℃;当成型小样外层承受-120℃～-110℃的低温环境2小时后，其内层的温度大约保持在-5.4℃，其中在-110℃左右的条件下，经纬向柔软度下降均小于6％，且试样无微观龟裂和脆性破坏现象产生。通过对材料在高、低温下的机械性能及气密性的测试，证实材料在规定的温场及微压条件下，满足动态弯曲、压作用和一般悬挂等使用，柔性变化在3％以内，且为气密性材料。
在前人研究的基础上，首先提出了多层隔热材料的理想传热模型和固体导热模型两种简易的传热模型。采用牛顿迭代法，计算了多层隔热材料中反射屏的温度分布与传热热流。在多层隔热系统简易传热模型的基础上，考虑了反射屏与间隔物的导热系数随温度的变化，反射屏的表面发射率随温度的变化，从而提出了本课题所研究的多层隔热材料的理想传热模型与实际传热模型，该模型是一个层间固体导热、层间气体传热和辐射传热三种传热途径相复合的逐层传热模型。采用二分法计算了实际传热模型中多层隔热材料中反射屏的温度分布与传热热流。并将模型计算结果与实验测量结果相比较，得出模型计算的多层层合隔热材料的热流量和导热系数与实验测量结果相吻合，导热系数的计算误差在10％以内，热流量的计算误差在3％以内。这表明本文提出的数值计算模型用于分析多层隔热材料的传热过程是可行的。
通过理论分析计算得出了相邻反射屏间只有辐射传热的理想传热模型，连续固体导热模型，以及用推导公式求得的实际传热模型，三者从低温(123K)到273K、从高温(433K)到273K两种情况下多层隔热材料中反射屏的温度分布。实际中多层隔热材料靠近冷端的温度变化比理想传热模型计算的温度变化小，而在接近热端的温度变化比理想传热模型计算的温度变化大。实际多层隔热材料中反射屏的温度分布介于理想传热模型和连续固体导热模型计算的温度值之闻。
在本课题所研究的多层隔热材料的基础上，针对高温到273K、低温到273K两种情况下，讨论了多层隔热材料层间固体导热、气体传热与辐射传热三种传热方式的热流量，及其各自所占比重量。在常压下，层闻气体的传热量与通过多层材料的总传热量之比大于0.6，辐射传热热阻最大,传热量较小。相对层间气体传热与固体导热来说，辐射传热热流量几乎可以忽略。通过理论计算进一步讨论了通过降低层间气体压强来降低气体传热，降低层间间隔物的导热系数来降低层间的固体导热。对多层隔热材料的表观导热系数及传热过程进行了分析。随着气体传热与层间固体导热的降低，辐射传热所占的比重增大，辐射传热所占的比重越大，多层隔热材料的隔热性能就越接近于真空多层隔热的理想状态。
隔热材料;柔性防护材料;结构特征;人体热防护;机械性能
东华大学
博士
纺织材料与纺织品设计
于伟东
2010
中文
TS107.4;TS941.15
181
2012-11-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）