热子材料制备方法

热子一般有不带绝缘层的裸丝、带绝缘层的和组合式三种形式。绝缘层是将绝缘物质加上粘结剂和有机溶剂混在一起配制成悬浮浆状涂料，涂覆在芯丝上，最后高温烧结而成。芯丝常用钨合金丝，如不下垂钨丝、钨铼丝、钨钍丝和钨钼合金丝。也有用纯钨制成热子。

由于长期在较高温度下工作，要求热子材料具有高熔点、高温强度高、蒸发率低和电阻小等特性。

热子材料是指用于加热阴极的材料，是旁热式阴极的一个组成部分。

绝缘物质要求具有良好的绝缘强度，在高温工作条件下不脱落不开裂，高的化学稳定性，良好的热导性和不产生有害污染，一般用耐火氧化物做绝缘物质，最理想的是氧化铍(BeO)，但因有毒，不便生产和使用。大量采用的是α-Al₂O₃、即将氧化铝粉用于900~1200℃焙烧2小时以上，使非α型转变为α型。

粘结剂通常由硝棉(硝酸纤维素)加醋酸(异)戊酯(或醋酸丁酯、醋酸乙酯)配成硝棉溶液，有机溶剂有甲醇、乙醇、草酸二乙酯等 。2100433B

绝热材料（thermal insulating material）

在建筑围护或者热工设备、阻抗热流传递中，习惯上把用于控制室内热量外流的材料或者材料复合体叫做保温材料（保冷材料）；把防止室外热量进入室内的材料或者材料复合体叫做隔热材料。保温、隔热材料统称为绝热材料。

1、绝热材料的性能要求

导热性指材料传递热量的能力。材料的导热能力用导热系数表示。导热系数的物理意义为：在稳定传热条件下，当材料层单位厚度内的温差为1℃时，在1h内通过1m²表面积的热量。材料导热系数越大，导热性能越好。工程上将导热系数λ<0.23W/m·K的材料称为绝热材料。影响材料导热系数的因素有：

材料组成：材料的导热系数由大到小为，金属材料>无机非金属材料>有机材料。

微观结构：相同组成的材料，结晶结构的导热系数最大，微晶结构次之，玻璃体结构最小，如水淬矿渣就是一种较好的绝热材料。

孔隙率：孔隙率越大，材料导热系数越小。

孔隙特征：在孔隙相同时，孔径越大，孔隙间连通越多，导热系数越大。

含水率：由于水的导热系数λ=0.58W/m·K，远大于空气，故材料含水率增加后其导热系数将明显增加，若受冻（冰λ=2.33W/m·K，）则导热能力更大。

绝热材料除应具有较小的导热系数外，还应具有适宜的或一定的强度、抗冻性、耐水性、防火性、耐热性和耐低温性、耐腐蚀性，有时还需具有较小的吸湿性或吸水性等。

室内外之间的热交换除了通过材料的传导传热方式外，辐射传热也是一种重要的传热方式，铝箔等金属薄膜，由于具有很强的反射能力，具有隔绝辐射传热的作用，因而也是理想的绝热材料。

2、绝热材料的种类及使用要点

绝热材料对热流有较强阻抗作用的材料。主要用于房屋建筑的墙体、屋面或工业管道、窑炉等的保温和隔热。

按照它们的化学组成可以分为无机绝热材料和有机绝热材料。常用无机绝热材料有多孔轻质类无机绝热材料、纤维状无机绝热材料和泡沫状无机绝热材料；常用有机绝热材料有泡沫塑料和硬质泡沫橡胶。

按绝热原理分为：

①多孔材料。靠热导率小的气体充满孔隙中绝热。一般以空气为热阻介质，主要是纤维状聚集组织和多孔结构材料。气凝胶毡的绝热性能最佳，其次泡沫塑料的绝热性较好，再者为矿物纤维（如石棉）、膨胀珍珠岩和多孔混凝土、泡沫玻璃等。

②反射材料。如铝箔能靠热反射减少辐射传热，几层铝箔或与纸组成夹有薄空气层的复合结构，还可以增大热阻值。绝热材料常以松散材、卷材、板材和预制块等形式用于建筑物屋面、外墙和地面等的保温及隔热。可直接砌筑（如加气混凝土）或放在屋顶及围护结构中作芯材，也可铺垫成地面保温层。

纤维或粒状绝热材料既能填充于墙内，也能喷涂于墙面，兼有绝热、吸声、装饰和耐火等效果。

绝热材料一方面满足了建筑空间或热工设备的热环境，另一方面也节约了能源。因此，有些国家将绝热材料看作是继煤炭、石油、天然气、核能之后的“第五大能源”。

3、绝热材料技术性能指标

绝热材料的技术性能指标应符合绝热材料的现行国家标准的规定。

（1）绝热用岩棉、矿渣棉及其制品

绝热用岩棉、矿渣棉及其制品，是以岩石、工业废渣和石灰石等为主要原料，经高温熔融，用离心力、高温载能气体喷吹而成的棉及其制品。产品按结构形式分为棉、板、带、毡、缝毡、贴面毡和管壳。

（2）绝热用玻璃棉及其制品

绝热用玻璃棉及其制品有玻璃棉、玻璃棉板、玻璃棉带、玻璃棉毯、玻璃棉毡和玻璃棉管壳。产品按采用玻璃棉的纤维平均直径分为三种。

新型玻璃棉制品有气凝胶毡，该产品为二氧化硅气凝胶与玻璃纤维复合，导热系数0.018W/（K·m），绝对疏水，是市场上导热系数最低的纳米无机绝热材料。

（3）超细玻璃棉及其制品

超细玻璃棉及其制品，是以熔融后的玻璃用火焰喷吹或离心喷吹等方法制成纤维平均直径在3～3.9玻璃纤维毡。使用温度为400℃以下，作保温和吸声用，产品技术性能指标如下。

①纤维平均直径4μm以下。

②含湿率不大于1%

③粘结剂含量不大于1%，对易燃、易爆工程粘结剂含量。

④渣球含量直径大于0.5mm，含量不应超过0.5%。

（4）泡沫石棉

泡沫石棉是以保温石棉为主要原料，经化学开棉、发泡、成型、干燥等工艺制成的泡沫状制品。其使用温度在500℃以内。

（5）普通硅酸铝耐火纤维毡

普通硅酸铝耐火纤维毡，适用于工作温度不大于1000℃的中性或氧化性气氛的工业炉内衬及高温管道保温。牌号

（6）硅酸钙绝热制品

硅酸钙绝热制品有平板、弧形板、管壳、最高使用温度为923k（650℃）。

（7）膨胀蛭石制品

膨胀蛭石制品，常用的膨胀蛭石制品是以膨胀蛭石为料，以水泥为粘结剂制成的水泥膨胀蛭石制品。使用温度范围为-40～800℃。制品有板、砖、管壳等。

（8）膨胀珍珠岩绝热制品

膨胀珍珠岩绝热制品是以膨胀珍珠岩为主要成分，掺加不同种类粘接剂而制成的板、管壳等绝热制品。

其使用温度范围为-50～900℃。

（9）硅藻土隔热制品

硅藻土隔热制品有普型、异型和特性，主要用作隔热层。。

（10）建筑物隔热用硬质聚氨酯泡沫塑料建筑物隔热用硬质聚氨酯泡沫塑料，是以多元醇/多异氰酸酯为主要原料生产的平板或异性板状RC/PUR，也可用于箔、金属膜或片、涂料、纸或其他材料层压或贴面的RC/PUR。但不适用于管道和容器的隔热保温及吸收冲击声的消音材料。

类型1产品适用于承受轻负载，如建筑物屋顶、地板下隔层及类似的用途；类型2适用于承受重负载，如衬填材料，冷冻室地板等。

（11）工业设备、管道绝热用硬质聚氨酯泡沫塑料

工业设备、管道绝热用硬质聚氨酯泡沫塑料制品有板、管壳，适用于-104～5℃的设备、管道保冷，最高安全使用温度为100℃。

（12）隔热用聚苯乙烯泡沫塑料

隔热用聚苯乙烯泡沫塑料是以含低沸点液体发泡剂的可发性聚苯乙烯珠粒经加热预发泡后，在模具中加热成型而制得的具有闭孔结构的聚苯乙烯泡沫塑料，也可用大块料切割而成其他形状制品。

隔热用聚苯乙烯泡沫塑料按用途分为三类：1.类是应用时不承受负荷，如作为屋顶、墙壁及其他隔热；2.类是承受有限负荷，如地板隔热等；3.类是承受较大负荷，如停车平台隔热等。

隔热用聚苯乙烯泡沫塑料分为普通型PT（白色，无阻燃性要求）和阻燃型ZR（混有颜色的颗粒，有阻燃性要求）。

4、绝热材料的选择依据

绝热既要减少散热损失，节能降耗增效，又要保证生产工艺过程安、稳、长、满、优运行。一般选择绝热材料应满足以下要求。

（1）平均温度≤623K（350℃）时，导热系数不大于0.12w/（mk）[0.103kcal/（m.h.℃）]，有随温度变化的导热系数方程式。当有数种绝热材料可选择时，用绝热材料的导热系数，乘以单位体积材料价格（元/m³），乘积小，单位热阻的价格低，是经济的绝热材料。

（2）绝热材料密度不大于300kg/m³。纤维类绝热材料的渣球含量，矿渣棉小于10%；岩棉小于6%；玻璃棉小于0.4%，对纤维类绝热材料应选择最佳密度。

（3）硬质绝热材料的抗压强度不小于392kpa。一般绝热材料制品，应能承受自重，当地最大风荷载，冰雪荷载，表面受到碰撞或轻微敲打，不产生残余变形。

（4）绝热材料的允许使用温度应高于正常操作时的生产介质最高温度，保证在安全使用温度范围。

（5）绝热材料的膨胀性、防潮性、耐燃型，均要符合使用要求。

（6）绝热材料具有化学稳定性，对金属无腐蚀作用。

（7）保冷材料在理化性能满足生产工艺过程要求的前提下，优先选用导热系数小，密度小，吸水和吸湿率低的材料制品。

（8）按选用保冷材料特征，采用相适应的粘结剂、密封剂配套使用。

（9）绝热的防潮层材料，选用防水、防潮力强，吸水率不大于1%。使用温度范围大，耐火度、软化温度不低于65℃，稳定性和密封性好，在常温下使用方便。

（10）绝热的保护层材料，选用防水、防潮、化学稳定性和不燃性好，应有不开裂、不易老化、强度高的特征。

蓄热材料相变蓄热材料

相变蓄热材料具有蓄放热过程近似等温、过程容易控制等优点是当今蓄热材料的研究热点。1992年，法国首次研制出用于储存能量的小球，把球态可变盐衬装在聚合物小球中，然后把小球盛装在可变体积的容器里，蓄热量为同样体积水的10倍。

1998年，美国对铵矾和硝酸铵二元相变材料体系进行了研究，并将其应用于太阳能热水器。我国在19世纪80年代初开始开展相变蓄热材料的研究，早期集中于相变蓄热材料中的无机水合盐类。由于绝大多数无机水合盐都具有腐蚀性,相变过程存在过冷和相分离等缺点，而有机物相变材料则热导率低，相变过程的传热性能差。为了克服单一无机物或有机物相变蓄热材料存在的缺点，许多研究者开始开发复合相变蓄热材料，如Udidn等以石蜡为相变材料、阿拉伯树脂和明胶为胶囊体材料制备出胶囊型复合无机相变材料，实验表明，胶囊化石蜡经过1000次热循环，仍能维持其结构形状和储热密度不变,胶囊化技术有效地解决了无机相变材料的泄漏、相分离以及腐蚀性问题。

Xavier制备出有机复合相变材料，将有机物相变蓄热材料石蜡吸附在具有多孔结构的膨胀石墨内，明显提高了蓄热材料的热导率，如纯石蜡的热导率仅为0.24W/m，而复合石墨后的热导率提高到4一7W/m。

近年来，有机/无机纳米复合材料在聚合物改性以及研制新型蓄热材料方面得到了广泛应用。张正国等将有机/无机纳米复合材料扩展到蓄热材料领域,提出将有机相变材料与无机物进行纳米复合的方案，制备出硬脂酸/膨润土纳米复合相变蓄热材料，复合材料的相变潜热值基本不变而储放热速率明显提高，且经1500次循环试验后复合相变材料仍具有很好的结构和性能稳定性。有机/无机复合相变蓄热材料的制备，不仅可利用无机物的高热导率来提高有机物相变蓄热材料的导热性能，而且纳米复合技术将有机相变储热材料和无机载体充分结合起来，提高复合相变蓄热材料的蓄热密度和循环稳定性。

蓄热材料吸附蓄热材料

在沸石、硅胶等多孔材料对水发生物理吸附的过程中，伴随着大量的物理吸附热，可以用于热量的储存和利用。Close等首先利用开式吸附床的吸附/解吸循环，以沸石为吸附材料、湿蒸汽(水)为载体实现了低温热储存。吸附蓄热材料克服了传统蓄热方法的缺陷，在蓄热过程中无热量损失，为蓄热技术开辟了新天地。

由于分子筛作为吸附蓄热材料时对水的吸附属于物理吸附，吸附平衡量和吸附循环量不高，因此有研究者利用沸石分子筛规整而稳定的孔隙结构，把对水吸附容量比较高的氯化钙填充进去，从而制备出既具有高吸附蓄热容量又具有稳定吸附蓄热性能的复合吸附蓄热材料。朱冬生等以分子筛为基体，使氯化钙填充进人分子筛制备出吸附蓄热复合材料，实验发现复一合吸附剂的最大吸附量可达0. 55 kg/kg，，用于蓄热时其蓄热密度达到1000 kJ/kg以上，与显热蓄热和相变潜热蓄热材料相比在蓄热能力上具有明显的优势。

除分子筛吸附蓄热材料的应用外，硅胶等其他多孔材料也被用于吸附蓄热技术。如Aristov将CaCl₂植人中孔硅胶内部，崔群等发现在复合吸附剂的制备过程中还需加入扩孔剂以增加孔容和孔径，才可改善复合吸附材料的吸附性能，以使其吸附量显著提高。

在进一步提高复合吸附蓄热材料的蓄热能力和循环方面，MrowierBialon用四乙氧基硅烷制成复合多孔材料，1kg该吸附剂的水蒸气吸附量超过1kg，而且经过50次循环实验，该复合吸附材料的吸附性能无明显改变。 这种由分子筛等多孔材料和吸湿性无机盐复合而制得的吸附蓄热材料，一方面使无机盐的化学吸附蓄热循环过程发生在多孔材料的孔道内，改善了吸附蓄热过程的传热和传质性能;另一方面，多孔材料对吸附质也具有吸附作用，不仅提高了复合吸附材料的总吸附量和蓄热密度，而且物理吸附作为化学吸附的前驱态还促进了无机盐的化学吸附。