Какие материалы обладают самой низкой теплопроводностью?

Коэффициент теплопроводности — одно из важнейших физических свойств, по которым оценивают способность материала сопротивляться переносу тепла. Основные принципы теплообмена и часто приводимые экспериментальные данные помогают ответить на вопрос: какие материалы обладают самой низкой теплопроводностью при комнатной температуре?

Краткий ответ

Среди твёрдых теплоизоляционных материалов при температуре, близкой к комнатной, и атмосферном давлении аэрогель на основе диоксида кремния относится к материалам с одним из самых низких коэффициентов теплопроводности. Для высокоэффективных разновидностей кремнезёмного аэрогеля значения могут составлять примерно 0,012–0,020 Вт/(м·К). Результат зависит от состава, плотности, структуры пор, условий испытаний и рецептуры.

Серийно выпускаемые аэрогелевые маты и нанопористые композитные теплоизоляционные изделия обычно имеют несколько более высокие значения: часто около 0,015–0,025 Вт/(м·К), в зависимости от изделия и условий испытаний. Для сравнения: теплопроводность неподвижного воздуха при температуре, близкой к комнатной, составляет примерно 0,026 Вт/(м·К).

Если рассматривать не только материалы, но и инженерные теплоизоляционные системы, то вакуумные теплоизоляционные панели (VIP) могут достигать эффективной теплопроводности примерно 0,004–0,008 Вт/(м·К). Это достигается за счёт существенного снижения переноса тепла в газовой фазе внутри вакуумированного сердечника.

В теоретическом пределе идеальный вакуум исключает перенос тепла посредством теплопроводности газа и конвекции. Однако тепло по-прежнему может передаваться излучением и через твёрдые конструктивные связи.

Как твёрдый материал может иметь теплопроводность ниже, чем неподвижный воздух? И почему аргон и другие газы могут улучшать теплоизоляционные характеристики стеклопакетов по сравнению с обычным воздухом? Ответ связан с механизмами переноса тепла и условиями, в которых их сравнивают.

I. Определения и условия сравнения

Коэффициент теплопроводности λ показывает, насколько легко материал проводит тепло. Его обычно выражают в Вт/(м·К). При сопоставимых условиях более низкое значение означает большее сопротивление переносу тепла за счёт теплопроводности.

В законе теплопроводности Фурье λ служит коэффициентом пропорциональности, связывающим плотность теплового потока с градиентом температуры. При использовании этого показателя необходимо учитывать несколько условий.

1. Зависимость от температуры

Коэффициент теплопроводности не всегда можно считать постоянной величиной. У многих теплоизоляционных материалов он меняется с температурой. Во многих случаях λ увеличивается при повышении средней температуры испытания, хотя конкретная зависимость определяется материалом.

Поэтому вместе с опубликованным значением λ желательно указывать температуру испытания или среднюю температуру.

2. Влияние метода и условий испытаний

На измеренное значение могут влиять подготовка образца, плотность, толщина, влажность, давление, ориентация и метод измерения. К широко используемым международным методам относятся:

При сравнении материалов с очень низкой теплопроводностью важно убедиться, что значения получены в сопоставимых условиях.

3. Несколько механизмов переноса тепла в пористых материалах

Эффективная теплопроводность пористого теплоизоляционного материала обычно отражает совокупный вклад нескольких механизмов:

Теплопроводности твёрдого каркаса.

Теплопроводности газа внутри пор.

Возможной конвекции в достаточно крупных порах.

Лучистого теплообмена внутри материала.

Поэтому при создании материалов со сверхнизкой теплопроводностью необходимо одновременно ограничивать несколько путей переноса тепла.

II. От металлов до вакуума: типичные значения теплопроводности

Приведённые ниже значения приблизительны и прежде всего показывают различия в порядке величин. Если не указано иное, они относятся к условиям, близким к комнатной температуре.

1. Металлы: примерно 10–400 Вт/(м·К) и выше

Металлы, как правило, хорошо проводят тепло. Их высокая теплопроводность в значительной степени связана с эффективным переносом энергии свободными электронами.

2. Распространённые твёрдые материалы и жидкости: примерно 0,1–10 Вт/(м·К)

Эти значения намного ниже, чем у большинства металлов, но всё ещё заметно выше, чем у высокоэффективных теплоизоляционных материалов.

3. Традиционные теплоизоляционные материалы: примерно 0,025–0,050 Вт/(м·К)

Для полиуретановой теплоизоляции значение зависит, в частности, от рецептуры и газа, используемого для вспенивания. Низкая теплопроводность традиционных утеплителей во многом достигается благодаря большому объёму газа с низкой теплопроводностью в их внутренней структуре.

4. Неподвижный воздух: примерно 0,026 Вт/(м·К)

Неподвижный воздух служит важной точкой отсчёта в теплоизоляции. Многие традиционные волокнистые и ячеистые утеплители работают прежде всего за счёт удержания относительно неподвижного воздуха и ограничения конвекции.

Однако газ внутри пор продолжает проводить тепло. Поэтому простое увеличение пористости не позволяет снижать теплопроводность неограниченно.

5. Газы с низкой теплопроводностью

Некоторые газы имеют более низкую теплопроводность, чем воздух. При температуре, близкой к комнатной, приблизительные значения составляют:

По этой причине аргон и криптон иногда используют в стеклопакетах с высокими теплоизоляционными характеристиками. При этом теплопроводность газа зависит от нескольких молекулярных свойств, и объяснять её только молекулярной массой нельзя.

6. Нанопористая теплоизоляция: примерно 0,012–0,025 Вт/(м·К)

Высокоэффективные нанопористые материалы могут снижать перенос тепла за счёт теплопроводности газа до уровня ниже, чем у неподвижного воздуха, не ограниченного стенками пор. К таким материалам и системам относятся:

Кремнезёмные аэрогели.

Нанопористые материалы на основе диоксида кремния.

Некоторые современные гибкие нанопористые теплоизоляционные материалы.

Нанопористые композитные теплоизоляционные системы.

В зависимости от рецептуры и условий испытаний их теплопроводность может составлять примерно 0,012–0,025 Вт/(м·К).

7. Вакуумная теплоизоляция: примерно 0,004–0,008 Вт/(м·К)

Вакуумные теплоизоляционные панели могут достигать существенно более низких значений эффективной теплопроводности, поскольку вакуум внутри панели сильно ограничивает теплопроводность газа и конвекцию. При соответствующих условиях типичные VIP могут достигать примерно 0,004–0,008 Вт/(м·К).

Многослойная теплоизоляция в условиях высокого вакуума, применяемая в аэрокосмических и криогенных системах, может обеспечивать крайне низкие кажущиеся или эквивалентные значения теплового потока. Однако такие системы нельзя напрямую сравнивать с обычными твёрдыми утеплителями по единственному значению собственной теплопроводности: их характеристики сильно зависят от уровня вакуума, конфигурации слоёв, температур на границах и геометрии системы.

III. Почему теплопроводность аэрогеля может быть ниже, чем у неподвижного воздуха?

Один из ключевых факторов — наноразмерная структура пор. При комнатной температуре и атмосферном давлении молекулы газа проходят между столкновениями некоторое характерное среднее расстояние. Оно называется средней длиной свободного пробега. Для воздуха это расстояние составляет порядка десятков нанометров.

Когда размеры пор становятся сопоставимыми со средней длиной свободного пробега или меньше неё, столкновения молекул газа со стенками пор приобретают всё большее значение. В результате молекулы менее эффективно переносят тепловую энергию через поровое пространство. Это явление обычно связывают с эффектом Кнудсена.

В достаточно малых порах перенос тепла посредством теплопроводности газа может быть ниже, чем в неподвижном воздухе, не ограниченном стенками пор.

Аэрогели обычно имеют очень высокую пористость, нередко превышающую 90 %. Твёрдый каркас занимает лишь небольшую часть общего объёма, поэтому перенос тепла в твёрдой фазе также может снижаться. Кроме того, извилистая структура каркаса усложняет пути теплопередачи.

Лучистый теплообмен можно дополнительно ограничивать за счёт состава материала, структуры пор и, в некоторых рецептурах, добавок, снижающих прозрачность материала для инфракрасного излучения.

Таким образом, исключительно низкая теплопроводность аэрогеля обусловлена совместным ограничением нескольких механизмов: теплопроводности твёрдой фазы, теплопроводности газа, конвекции и лучистого теплообмена.

IV. Три условия корректного сравнения

Понятие «самая низкая теплопроводность» кажется однозначным, но содержательное сравнение требует чётко заданных граничных условий.

1. Необходимо учитывать температуру

Теплопроводность зависит от температуры. Материал, который особенно хорошо работает вблизи комнатной температуры, может вести себя иначе при криогенных или повышенных температурах.

При высоких температурах вклад лучистого теплообмена может возрастать. При низких температурах относительный вклад различных механизмов переноса тепла также может меняться. Поэтому без указания температурного диапазона нельзя составить содержательный универсальный рейтинг.

2. Свойства материала отличаются от характеристик системы

Аэрогель — пористый твёрдый материал. Вакуумная теплоизоляционная панель — инженерная система, в которой сердечник заключён в газонепроницаемую оболочку при пониженном давлении. Многослойная изоляция (MLI) представляет собой другую систему, основанную на нескольких отражающих слоях и высоком вакууме. Заявленные характеристики относятся к разным физическим конфигурациям.

Эффективная теплопроводность VIP может быть значительно ниже теплопроводности материала её сердечника. Однако эта характеристика зависит от сохранения вакуума. Если оболочка повреждена и вакуум ухудшается, теплоизоляционные свойства могут существенно снизиться.

Значения λ на уровне материала и эффективную теплопроводность на уровне системы нельзя считать напрямую взаимозаменяемыми.

3. Минимальная теплопроводность не всегда означает лучший выбор

Даже материал или газ с крайне низкой теплопроводностью может оказаться непрактичным. Его применение могут ограничивать стоимость, механическая прочность, толщина, гибкость, технологичность изготовления, долговечность, чувствительность к влаге, требования к вакууму и герметичности, масса, безопасность и условия конкретного применения.

Например, ксенон имеет очень низкую теплопроводность, но высокая стоимость ограничивает его широкое использование. Вакуумные теплоизоляционные панели обеспечивают высокие теплоизоляционные характеристики, однако нуждаются в герметичной вакуумной оболочке и уязвимы к проколам и другим повреждениям оболочки.

Поэтому при проектировании важен более широкий вопрос: какой материал обеспечивает наилучшее сочетание теплопроводности, толщины, массы, долговечности, удобства обработки, стоимости и соответствия конкретному применению?

V. Материалы со сверхнизкой теплопроводностью в инженерной практике

Если ограничиться теплоизоляцией, которую можно использовать в виде твёрдых или гибких слоёв при температуре, близкой к комнатной, выделяются несколько категорий.

1. Кремнезёмный аэрогель

Кремнезёмный аэрогель относится к наиболее известным твёрдым материалам со сверхнизкой теплопроводностью. Для высокоэффективных разновидностей характерны значения примерно 0,012–0,020 Вт/(м·К).

При этом традиционный монолитный кремнезёмный аэрогель по своей природе хрупок. Поэтому в практических применениях аэрогель часто включают в состав матов, волокон или композитных структур, чтобы облегчить работу с ним и повысить стойкость к механическим воздействиям.

2. Гибкие нанопористые теплоизоляционные материалы

Гибкие нанопористые материалы позволяют сочетать низкую теплопроводность с механической гибкостью и удобством обработки.

Для одежды и обуви гибкость, пригодность к шитью и раскрою, малая толщина, управление влагой и долговечность могут быть не менее важны, чем достижение абсолютно минимального значения λ.

Например, Y-Warm — гибкий нанопористый теплоизоляционный материал с теплопроводностью примерно 0,020 Вт/(м·К) при заданных условиях испытаний.

Его практическая ценность связана с сочетанием низкой теплопроводности, гибкости, малой толщины и совместимости с технологиями производства носимых изделий. При выборе такого материала важна совокупность этих свойств, а не только стремление к минимальному значению λ.

3. Пенополиуретан

Высокоэффективная теплоизоляция из жёсткого пенополиуретана обычно имеет теплопроводность около 0,020–0,030 Вт/(м·К). Значение зависит от рецептуры, вспенивающего агента, плотности, температуры и условий старения.

Пенополиуретан остаётся одним из наиболее широко применяемых высокоэффективных традиционных утеплителей, в частности в строительстве, холодильной технике и промышленности.

Заключение

Единого ответа на вопрос «Какой материал обладает самой низкой теплопроводностью?» нет. Всё зависит от объектов сравнения: чистые материалы, композиты, газы, пористые твёрдые тела, теплоизоляционные системы с использованием вакуума, криогенные системы или инженерные изделия для работы при комнатной температуре.

При комнатной температуре кремнезёмный аэрогель и другие высокоэффективные нанопористые материалы входят в число твёрдых утеплителей с самой низкой известной теплопроводностью. Вакуумные теплоизоляционные системы могут достигать ещё более низких эффективных значений благодаря ограничению переноса тепла в газовой фазе.

Для практической задачи важнее определить, какой материал обеспечивает требуемые теплоизоляционные характеристики и одновременно отвечает требованиям по толщине, массе, гибкости, долговечности, технологичности изготовления, безопасности и стоимости. Поиск абсолютного минимума λ сам по себе не даёт полного ответа.

Это различие необходимо учитывать при переходе от свойств материалов, измеренных в лаборатории, к проектированию теплоизоляции для реальных условий эксплуатации.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Какой твёрдый утеплитель имеет самую низкую теплопроводность при комнатной температуре?

При температуре, близкой к комнатной, и атмосферном давлении кремнезёмный аэрогель относится к твёрдым утеплителям с одним из самых низких коэффициентов теплопроводности. Высокоэффективные разновидности могут иметь значения примерно 0,012–0,020 Вт/(м·К). Результат зависит от состава, плотности, структуры пор, рецептуры и условий испытаний. Назвать один материал безусловным лидером без уточнения этих условий нельзя.

2. Почему теплопроводность аэрогеля может быть ниже, чем у неподвижного воздуха?

Если размер пор сопоставим со средней длиной свободного пробега молекул газа или меньше неё, столкновения со стенками пор снижают эффективность переноса тепла в газе. Это связано с эффектом Кнудсена. Высокая пористость и извилистый твёрдый каркас дополнительно ограничивают перенос тепла в твёрдой фазе. Лучистый теплообмен можно снижать с помощью состава материала, структуры пор и, в некоторых рецептурах, добавок, уменьшающих прозрачность для инфракрасного излучения. Низкая теплопроводность обусловлена сочетанием нескольких механизмов.

3. Можно ли напрямую сравнивать теплопроводность VIP и аэрогеля?

Эти значения нельзя считать напрямую взаимозаменяемыми свойствами материалов. При соответствующих условиях VIP может иметь эффективную теплопроводность около 0,004–0,008 Вт/(м·К), но это характеристика системы, зависящая от сердечника, герметичной оболочки и сохранения вакуума. Аэрогель представляет собой пористый твёрдый материал. При сравнении нужно учитывать физическую конфигурацию и условия испытаний. Повреждение оболочки и ухудшение вакуума могут существенно снизить характеристики VIP.

4. Зачем в стеклопакетах используют аргон и криптон?

Эти газы имеют более низкую теплопроводность, чем обычный воздух. Вблизи комнатной температуры для неподвижного воздуха она составляет примерно 0,026 Вт/(м·К), для аргона — примерно 0,017–0,018 Вт/(м·К), а для криптона — примерно 0,009–0,010 Вт/(м·К). Поэтому аргон и криптон иногда используют для улучшения теплоизоляционных характеристик стеклопакетов.

5. Какова теплопроводность Y-Warm и какие ещё свойства важны для одежды и обуви?

Теплопроводность Y-Warm составляет примерно 0,020 Вт/(м·К) при заданных условиях испытаний. Для одежды и обуви также важны гибкость, пригодность к шитью и раскрою, малая толщина, управление влагой и долговечность. Практическая ценность Y-Warm связана с сочетанием низкой теплопроводности, гибкости, малой толщины и совместимости с технологиями производства носимых изделий.