Инновации меняют мир
Эффективный коэффициент теплопроводности пористого материала зависит от переноса тепла по твёрдому каркасу, через газ в порах и посредством теплового излучения внутри материала. Если структура пор и условия это допускают, свой вклад может вносить и конвекция. Поступление жидкой воды в структуру материала также может изменять эти пути теплопереноса.
Ни одна отдельная характеристика — пористость, размер пор или толщина стенок — сама по себе не определяет конечный результат. Значение имеют также состав материала, плотность, геометрия ячеек, состав газа, температура, давление и условия испытаний.
I. К каким материалам применим этот подход?
В статье рассматриваются пористые теплоизоляционные материалы, коэффициент теплопроводности которых измеряют в воздухе при атмосферном или близком к нему давлении. К ним относятся полимерные пены, волокнистые теплоизоляционные материалы, аэрогелевые композиты и гибкие материалы с закрытыми ячейками.
Относительная значимость каждого пути теплопереноса зависит от материала и предполагаемого применения. Например, модель, подходящую для сухого аэрогеля, нельзя автоматически переносить на влагопоглощающий полимерный лист или объёмный волокнистый наполнитель.
II. Как тепло проходит через пористый материал?
В первом приближении можно использовать следующее соотношение:
λeffective ≈ λsolid + λgas + λradiation + λconvection
Слагаемые в правой части выражают вклады в измеренный эффективный коэффициент теплопроводности. Их разделение служит инструментом моделирования: в реальном материале механизмы теплопереноса взаимодействуют, и их вклады не всегда удаётся измерить независимо друг от друга. В исследованиях аэрогелей обычно отдельно рассматривают теплопроводность твёрдой фазы, теплопроводность газовой фазы и тепловое излучение. При достаточно малых размерах пор конвекцией, как правило, можно пренебречь.
1. Теплопроводность твёрдого каркаса
Тепло передаётся через стенки ячеек, волокна, частицы и соединения между ними. Вклад этого механизма зависит от собственного коэффициента теплопроводности твёрдого вещества, его количества в материале, а также от геометрии и связности путей теплового потока.
Повышение пористости может уменьшать количество твёрдого вещества, участвующего в теплопроводности. Однако оно также может влиять на прочность, лучистый теплообмен и другие свойства. Оптимальное решение зависит от структуры в целом.
2. Теплопроводность газа в порах
Газ, заключённый в порах, также переносит тепло. При обычной температуре и атмосферном давлении коэффициент теплопроводности неподвижного воздуха составляет примерно 0,026 Вт/(м·К).
Когда размер пор становится сопоставим со средней длиной свободного пробега молекул воздуха, столкновения со стенками пор могут уменьшать перенос тепла за счёт теплопроводности в газовой фазе. Это явление называют эффектом Кнудсена. В типичных условиях окружающей среды средняя длина свободного пробега молекул воздуха составляет около 70 нм.
Здесь важен размер пространства, доступного для движения молекул газа, например диаметр поры или другой подходящий характерный размер. Толщина стенки поры — отдельная структурная характеристика.
3. Конвекция внутри пор
Конвекция связана с макроскопическим движением газа. Небольшие изолированные ячейки ограничивают такое движение, поэтому вклад естественной конвекции внутри отдельных ячеек в перенос тепла может быть незначительным. Более крупные сообщающиеся полости и движение воздуха через открытую структуру требуют отдельного рассмотрения.
Подавление конвекции не означает устранения теплопроводности в газовой фазе. Газ способен передавать тепло и без циркуляции внутри пор.
4. Тепловое излучение
Тепловое излучение также может переносить энергию через пористую структуру. Его вклад зависит от температуры и от того, как материал поглощает, испускает и рассеивает излучение. При повышении температуры роль этого механизма обычно возрастает. Однако единого температурного порога, выше которого тепловое излучение внезапно становится значимым для всех материалов, не существует.
5. Влияние влаги
Если жидкая вода замещает воздух в части пористой структуры, перенос тепла может увеличиться. Коэффициент теплопроводности воды составляет примерно 0,6 Вт/(м·К), что значительно выше соответствующего значения для неподвижного воздуха.
Влияние на материал в целом нельзя рассчитать только по этим двум значениям. Оно зависит от количества воды, её расположения и от того, меняет ли смачивание структуру материала.
III. Чем различаются размер пор и толщина стенок?
Структурная характеристика | Основное влияние на теплоперенос |
Размер пор или ячеек | Влияет на пространство, доступное для движения газа, а при достаточно малых размерах — на степень снижения теплопроводности газовой фазы за счёт эффекта Кнудсена. |
Толщина стенок ячеек | Влияет на количество и расположение твёрдого вещества, но сама по себе не определяет размер заполненного газом пространства. |
Открытые или закрытые ячейки | Влияют на движение газа, проникновение жидкой воды и взаимодействие структуры с соседними слоями. |
Пористость и плотность | Влияют на соотношение вкладов теплопроводности твёрдой фазы и других механизмов теплопереноса. |
Состав газа | Влияет на вклад газовой фазы, особенно в герметичных материалах с закрытыми ячейками. |
Это различие важно при описании Y-Warm. По данным измерений его структура содержит закрытые ячейки микрометрового масштаба диаметром около 30–190 мкм, разделённые полимерными стенками толщиной около 20–280 нм. Это две разные измеряемые характеристики.
IV. Что можно узнать из измерений Y-Warm?
Y-Warm — гибкий полимерный теплоизоляционный материал с закрытыми ячейками. Указанный коэффициент теплопроводности составляет около 0,020 Вт/(м·К) при определённых условиях испытаний. Тонкие стенки, геометрия закрытых ячеек, состав полимера и другие структурные особенности могут вносить вклад в его эффективные теплоизоляционные характеристики.
Указанный коэффициент теплопроводности следует рассматривать как измеренное свойство образца в целом. По отдельности ни диаметр ячеек, ни толщина стенок не объясняют его численного значения. Чтобы определить вклад каждого механизма теплопереноса, потребовались бы соответствующее моделирование и дополнительные измерения.
Тот же принцип применим при сравнении Y-Warm с аэрогелями, пенами или волокнистыми теплоизоляционными материалами: следует использовать результаты, полученные в сопоставимых условиях, и различать измеренные характеристики и предложенное объяснение этих характеристик.
V. Как сравнивать пористые теплоизоляционные материалы?
Вопрос | Почему это важно |
Каков измеренный коэффициент теплопроводности? | Он характеризует эффективные свойства образца в указанных условиях. |
При какой температуре проводилось измерение? | Коэффициент теплопроводности может изменяться с температурой. |
Каковы были толщина и состояние образца? | Малая толщина образца, контакт с поверхностями, влагосодержание и сжатие могут влиять на результат. |
Испытывался новый материал или материал после старения? | У некоторых материалов состав газа внутри структуры или сама структура со временем меняются, что может приводить к изменению свойств. |
Каковы требования конкретного применения? | Гибкость, масса, долговечность, поведение при воздействии влаги и доступное пространство могут быть не менее важны, чем небольшое различие в теплопроводности. |
Значения из данных разных производителей или исследований дают общее представление о свойствах материалов, но позволяют составить надёжный рейтинг только при сопоставимости образцов и условий испытаний. Тонкие или неровные образцы могут быть особенно чувствительны к условиям измерения и контакта. В опубликованных исследованиях подчёркивается необходимость осторожного подхода к сравнению приводимых значений теплопроводности аэрогелей.
VI. Что это означает для практического применения?
Разработка материалов: необходимо оптимизировать структуру в целом. Снижение теплопроводности твёрдой фазы, ограничение теплопереноса в газовой фазе, управление лучистым теплообменом и сохранение требуемой прочности и гибкости требуют компромиссов.
Здания и изделия для холодовой цепи: следует учитывать долговременные характеристики, воздействие влаги, ограничения по толщине и способ монтажа теплоизоляции, а не только исходный коэффициент теплопроводности, измеренный в лаборатории.
Одежда и обувь: важны гибкость, малая толщина материала и его характеристики в готовом изделии. Материал с благоприятным значением теплопроводности в лабораторных условиях должен сохранять работоспособность после раскроя, соединения, сгибания и воздействия предполагаемых условий эксплуатации.
VII. Часто задаваемые вопросы
Всегда ли более высокая пористость означает более низкую теплопроводность?
Нет. Более высокая пористость может снижать вклад теплопроводности твёрдой фазы, но также менять лучистый теплообмен, механическую прочность и расположение заполненных газом полостей. Итоговый результат зависит от структуры в целом.
Почему у некоторых аэрогелей теплопроводность может быть ниже, чем у неподвижного воздуха?
Нанопоры могут уменьшать теплопроводность газовой фазы за счёт эффекта Кнудсена. Разреженный твёрдый каркас также может ограничивать теплопроводность твёрдой фазы. Измеренное значение отражает совокупный вклад разных механизмов, включая тепловое излучение.
Являются ли ячейки Y-Warm нанопорами?
Нет. Указанные диаметры ячеек составляют около 30–190 мкм, то есть относятся к микрометровому масштабу. Диапазон 20–280 нм относится к толщине стенок ячеек.
Доказывает ли нанометровая толщина стенок наличие эффекта Кнудсена внутри ячеек Y-Warm?
Нет. Снижение теплопроводности газа за счёт эффекта Кнудсена зависит от характерного размера пространства, в котором движутся молекулы газа. По одной лишь толщине стенок нельзя сделать вывод о таком снижении.
Почему два протокола испытаний могут указывать разные значения теплопроводности одного материала?
На указанное значение могут влиять температура испытания, толщина образца, влагосодержание, сжатие, контакт с поверхностями, старение и метод измерения.
Исключает ли закрытоячеистая структура любой перенос тепла через газ?
Нет. Закрытые ячейки ограничивают макроскопическое движение газа, но внутри них по-прежнему возможен перенос тепла за счёт теплопроводности газовой фазы.
Как влага влияет на теплопроводность?
Вода может усиливать перенос тепла, если замещает воздух в отдельных участках структуры. Величину изменения необходимо измерять для конкретного материала при определённом влагосодержании. Её нельзя определить только по коэффициенту теплопроводности воды.
