非真空條件下柔性多層材料高低溫絕熱性能實(shí)驗(yàn)測(cè)量

楊偲嬋 承 磊 顏 露 黃永華 吳靜怡

(上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海 200240)

非真空條件下柔性多層材料高低溫絕熱性能實(shí)驗(yàn)測(cè)量

楊偲嬋 承 磊 顏 露 黃永華 吳靜怡

(上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海 200240)

制作了柔性絕熱被，設(shè)計(jì)和搭建了高溫、低溫環(huán)境測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)測(cè)量多層絕熱被內(nèi)外兩側(cè)及外側(cè)附近空氣的溫度變化，衡量不同配置下多個(gè)多層絕熱被樣品的綜合絕熱性能?？疾炝撕穸?、多層配置方式、氣密性等對(duì)柔性多層材料在常壓下的高低溫隔熱作用和符合-100℃至+135℃高低溫環(huán)境應(yīng)用的柔性多層絕熱被的最佳厚度及配置方式。

柔性材料 多層絕熱 保溫 高低溫環(huán)境 測(cè)量

1 引言

真空多層絕熱是目前絕熱性能最好的方式之一，被稱(chēng)為“超級(jí)絕熱”。已經(jīng)成為航天工程和低溫工程上廣泛應(yīng)用的絕熱方式。如低溫液體的儲(chǔ)存與運(yùn)輸，尤其像液氫、液氦等低溫液體［1］。多層絕熱材料往往配合真空條件使用，但對(duì)于諸如機(jī)械結(jié)構(gòu)變化、運(yùn)動(dòng)，發(fā)生體積改變的場(chǎng)合，往往無(wú)法配以真空條件。例如航天對(duì)接機(jī)構(gòu)地面高低溫溫場(chǎng)模擬環(huán)境，隨著主動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)溫場(chǎng)必然發(fā)生幾何形變。目前國(guó)內(nèi)外的研究多集中于真空多層絕熱材料及方式，很少有研究非真空下多層絕熱材料的絕熱性能。因此，有必要針對(duì)多層絕熱材料在非真空條件下的性能進(jìn)行評(píng)估。

本文設(shè)計(jì)了高低溫性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置，制作了不同厚度、配置方式的多層絕熱被，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，考察了厚度、多層配置方式、氣密性等對(duì)柔性多層絕熱被在常壓大氣高低溫環(huán)境中絕熱性能的作用規(guī)律，進(jìn)而優(yōu)化了最佳厚度及配置方式，使得其符合-100℃—+135℃高低溫環(huán)境的應(yīng)用。

2 高低溫性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置

為了考察多層絕熱材料在非真空條件下的綜合絕熱效果以及尋找最佳的配置方式，按照一定規(guī)律設(shè)計(jì)并制作了5種不同厚度及配比的柔性多層絕熱被樣品。分別設(shè)計(jì)和搭建了高溫性能測(cè)試裝置和低溫性能測(cè)試裝置。

2.1 柔性多層絕熱被樣品制備

柔性多層絕熱被由多層反射屏疊合而成，在反射屏之間以不同形式間隔不同種類(lèi)、不同厚度的間隔物。在本實(shí)驗(yàn)中反射體采用雙面鍍鋁滌綸薄膜，厚度為0.003 5 mm，發(fā)射率為0.2。間隔物采用P型低溫絕熱紙或與氣凝膠組合，P型低溫絕熱紙?jiān)诔爻合碌膶?dǎo)熱系數(shù)為0.056 W/(m·K)，厚度0.06 mm，抗拉強(qiáng)度(縱)大于等于0.06 kN/m，透氣量大于等于2 000 L/(m2·s)，氣凝膠厚度3 mm，導(dǎo)熱系數(shù)與溫度呈線(xiàn)性關(guān)系，常溫常壓下為0.015 W/(m·K)，隨著溫度的降低而減小。

多層絕熱被試樣裁剪尺寸為500 mm×500 mm，如圖1a所示。在部分試樣中，某兩層鍍鋁滌綸薄膜中采用一層350 mm×350 mm的氣凝膠(黑色)取代P型低溫絕熱紙，如圖1b所示。成形樣品如圖1c所示。

圖1 多層絕熱被樣品Fig.1 Multi-layer thermal insulation quilt sample

根據(jù)實(shí)際使用情況(主要是柔性要求與絕熱性能兼顧)以及先前經(jīng)驗(yàn)，準(zhǔn)備了5種多層絕熱被試樣進(jìn)行高低溫性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，其配置方式及規(guī)格見(jiàn)表1。

表1 種多層絕熱被試樣的配置方式及厚度Table 1 Configuration modes and thickness of five flexible multi-layer quilt samples

為了保證各試樣具有相同初始條件，增強(qiáng)可比性，試樣先在真空烤箱中加熱至80℃真空烘烤，取出后迅速用聚酰亞胺膠帶將試樣四邊密封，在對(duì)角留下兩個(gè)微小的通風(fēng)口，干燥氮?dú)鈴囊粋€(gè)口通入，將試樣內(nèi)剩余空氣從另一出口中排擠出后，將這兩個(gè)小口密封，使試樣中充滿(mǎn)常壓干燥氮?dú)狻４诉^(guò)程可大大減少實(shí)驗(yàn)過(guò)程中水蒸氣在樣品內(nèi)部產(chǎn)生的影響，而且利于材料的循環(huán)使用。

2.2 低溫性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置

低溫性能測(cè)試裝置由瓶口直徑為300 mm的杜瓦瓶、兩個(gè)最大功率分別為60 W和70 W的可調(diào)電加熱器構(gòu)成。為了測(cè)試多層絕熱材料試樣在一側(cè)環(huán)境處于-100℃低溫的絕熱性能，設(shè)計(jì)了以液氮為冷源的簡(jiǎn)單低溫系統(tǒng)。在35 L的廣口杜瓦瓶中充入液氮至內(nèi)部總高度的2/3處，投入兩個(gè)電加熱器并使其沉在底部，將制作好的多層絕熱材料試樣平鋪在杜瓦瓶口，用橡皮筋將其箍在杜瓦瓶瓶口。需說(shuō)明的是，若是加有氣凝膠的試樣，將氣凝膠靠近的一側(cè)作為底面。通過(guò)改變電加熱器的輸入功率，可控制試樣底側(cè)的氣體環(huán)境溫度。受熱蒸發(fā)的氣氮必須有排放口，通過(guò)在試樣下方鋪的一片泡沫塑料紙作為引導(dǎo)槽將氮?dú)獬路綄?dǎo)出，防止冷氮?dú)庀蛏狭鲃?dòng)從而影響試樣頂部的溫度。這樣便能更加準(zhǔn)確的反應(yīng)多層絕熱試樣一面處于室溫中，一面處于-100℃時(shí)的保溫性能。低溫測(cè)試裝置及測(cè)量系統(tǒng)如圖2所示。

2.3 高溫性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置

測(cè)試多層絕熱材料試樣高溫絕熱性能的實(shí)驗(yàn)裝置由一個(gè)200 W的電加熱器、溫控儀、玻璃棉、手動(dòng)升降臺(tái)和一個(gè)不銹鋼框架組成，如圖3所示。試樣置于不銹鋼框架的頂部，同低溫實(shí)驗(yàn)一樣，對(duì)于加有氣凝膠的試樣，將氣凝膠靠近的一側(cè)作為底面。在框架外部罩一層雙面鍍鋁滌綸薄膜減少散熱。將一個(gè)連接著溫控儀的電加熱器至于試樣下方，電加熱器與手動(dòng)升降臺(tái)之間放著一塊7 cm厚的玻璃棉防止電加熱器高溫時(shí)損害升降臺(tái)。通過(guò)手動(dòng)升降臺(tái)來(lái)調(diào)節(jié)試樣底面與電加熱器之間的距離，間接對(duì)試樣底部溫度進(jìn)行控制。將試樣底部溫度升至135℃并控制使其穩(wěn)定在135±5℃的范圍內(nèi)。

圖2 低溫性能測(cè)試裝置系統(tǒng)圖和實(shí)物圖Fig.2 Schematic of low temperatureexperimental system

圖3 高溫性能測(cè)試裝置系統(tǒng)圖和實(shí)物圖Fig.3 Schematic of high temperatureexperimental system

利用上述高、低溫性能測(cè)試裝置可在被測(cè)樣品的一側(cè)形成-100℃—+135℃之間任意可控溫的高低溫環(huán)境，測(cè)量3個(gè)小時(shí)內(nèi)被測(cè)樣品的另一側(cè)表面溫度和周?chē)目諝鉁囟?，通過(guò)分析這些溫度的變化規(guī)律以及觀察樣品外表面在低溫實(shí)驗(yàn)和高溫實(shí)驗(yàn)中是否有結(jié)露結(jié)霜、發(fā)黃變形等現(xiàn)象來(lái)評(píng)估綜合性能。溫度測(cè)點(diǎn)布置情況如下:4個(gè)測(cè)量精度為±0.1℃的薄膜式鉑電阻溫度計(jì)分別貼于試樣頂部中心，試樣頂部邊緣，試樣頂部空氣中和試樣底部中心。通過(guò)Keithley2700將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X中，編寫(xiě)Lab-VIEW程序?qū)@些溫度進(jìn)行采集、波形圖表顯示并進(jìn)行數(shù)據(jù)保存以供后期處理分析。

3 常壓下多層絕熱被絕熱性能分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)試了5種多層絕熱被樣品在低溫-100℃和高溫135℃下3個(gè)小時(shí)內(nèi)的保溫效果，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中室溫都保持在20℃左右，大氣相對(duì)濕度維持在50%上下。

3.1 多層絕熱被樣品低溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在上述環(huán)境條件下，當(dāng)試樣頂部表面中心溫度達(dá)到9℃左右時(shí)，該處出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。此時(shí)測(cè)得表1中30+30(#1)，40+40(#2)，40+40+1(#3)，50+50(#4)，50+50+2(#5)五種試樣底部中心的溫度分別為-45.3、-75.7、-90.7、-65.4、-90.1 ℃。3個(gè)小時(shí)后，5種試樣頂部表面中心溫度分別穩(wěn)定在-0.3、4.5、9.2、5.3、8.9 ℃左右。30+30(#1)試樣表面有結(jié)霜現(xiàn)象，其它4種試樣表面均覆蓋著一層薄露。圖4為5種多層絕熱材料低溫實(shí)驗(yàn)的降溫曲線(xiàn)?？梢钥闯?，5組實(shí)驗(yàn)中試樣頂部空氣溫度都穩(wěn)定在18℃左右。

由于試樣被箍在杜瓦瓶口，試樣底面與杜瓦瓶形成一個(gè)內(nèi)部冷環(huán)境空間，試樣底部中心與氮?dú)獾膶?duì)流換熱比邊緣更加充分，且加上邊緣材料的導(dǎo)熱，所以會(huì)在試樣中心與邊緣形成一個(gè)溫度遞增的梯度。圖4也驗(yàn)證了試樣頂部中心溫度普遍低于試樣頂部邊緣溫度。

3.2 多層絕熱被樣品高溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5給出了與低溫實(shí)驗(yàn)相同的被測(cè)樣品的高溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由于采用開(kāi)關(guān)式溫控儀控制電加熱器以及存在熱慣性的原因，試樣底部中心溫度在135±5℃間振蕩。與低溫實(shí)驗(yàn)相對(duì)應(yīng)，高溫實(shí)驗(yàn)中試樣頂部中心溫度普遍高于邊緣溫度。在試樣底部溫度保持平均135℃ 3個(gè)小時(shí)后，測(cè)得表1中30+30(#1)，40+40(#2)，40+40+1(#3)，50+50(#4)，50+50+2(#5)5組試樣頂部中心溫度分別穩(wěn)定在37.7、29.8、28.0、29.9、29.1 ℃左右。此過(guò)程中，試樣頂部空氣溫度始終維持在20℃左右。

在高溫工況與低溫工況中，環(huán)境溫度與試樣底部溫差皆穩(wěn)定在120℃左右。但是在高溫工況中，試樣表面與空氣的平均溫差比低溫工況小了30%，這是因?yàn)樵诟邷貙?shí)驗(yàn)中，試樣表面沒(méi)有結(jié)露結(jié)霜，試樣表面與周?chē)諝獾膶?duì)流換熱更加充分。

3.3 不同配比試樣性能比較

圖4 各試樣低溫實(shí)驗(yàn)溫度曲線(xiàn)Fig.4 Temperature curves of each sample during cooling down process

圖5 各試樣高溫實(shí)驗(yàn)溫度曲線(xiàn)Fig.5 Temperature curves of each sample during heating up process

為了確定符合-100℃—+135℃高低溫環(huán)境應(yīng)用的柔性多層絕熱被的最佳厚度及配置方式。將表1中5種配置下試樣材料頂部中心點(diǎn)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)分別按低溫工況和高溫工況集中在同一坐標(biāo)下進(jìn)行比較，如圖6和圖7所示。

圖6 低溫工況各試樣頂部中心溫度對(duì)比Fig.6 Top center temperature contrast of each sample during cooling down process

圖7 高溫工況各試樣頂部中心溫度比較Fig.7 Top center temperature contrast of each sample during heating up process

從圖6可以看出，在內(nèi)部容腔處于低溫-100℃下，保溫40分鐘后，各試樣頂部中心溫度基本上趨于穩(wěn)定。其中，30+30(#1)試樣保溫效果較差，試樣頂面溫度降至0℃以下，表面出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象。增加10層雙面鍍鋁滌綸薄膜和10層低溫絕熱紙至40+40層后，試樣的保溫效果明顯提升，溫度穩(wěn)定在5℃左右，沒(méi)有結(jié)霜現(xiàn)象。進(jìn)一步增加雙面鍍鋁滌綸薄膜和低溫絕熱紙變成50+50層后保溫效果并沒(méi)有明顯提升，溫度仍穩(wěn)定在5℃以上。在本應(yīng)用條件下，根據(jù)基本的傳熱計(jì)算，30+30(#1)試樣增加10層反射屏后起主導(dǎo)作用的輻射傳熱量變?yōu)樵瓉?lái)的約3/4，而氣體導(dǎo)熱路徑又有增長(zhǎng)，所以保溫性能明顯提升。再增加10層變成50層后，相比40層，輻射傳熱量又減少到約4/5，但是由于反射屏和隔熱紙層數(shù)變多，材料本身的容重增加，堆積效應(yīng)導(dǎo)致底部的材料被壓實(shí)，接觸熱阻減小，固體材料導(dǎo)熱能力大大增加，漏熱嚴(yán)重。雖然對(duì)減小輻射導(dǎo)熱是有利的，但兩方面共同作用后，整體效果沒(méi)有起到改善作用?？傮w來(lái)看，增加層數(shù)可以減少輻射傳熱，但會(huì)增加固體導(dǎo)熱，所以層數(shù)并不是越多越好，而是存在一個(gè)最優(yōu)值。同時(shí)考慮到材料的柔韌性，也需要控制材料的厚度。

在5組試樣中，保溫效果最好的為40+40+1(#3)和50+50+2(#5)試樣，溫度皆穩(wěn)定在8℃以上，試樣表面只有一層薄露。相比40+40(#2)試樣可以看出來(lái)導(dǎo)熱系數(shù)較低的氣凝膠對(duì)多層材料的保溫效果有明顯改善。而且在低溫實(shí)驗(yàn)中，由于試樣內(nèi)氣體是密閉的，隨著溫度降低，氣體收縮后層與層之間的接觸熱阻會(huì)減小，所以加入一層氣凝膠后絕熱效果明顯提升。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，50+50+2(#5)試樣的保溫效果并沒(méi)有優(yōu)于40+40+1(#3)，這也是因?yàn)閷訑?shù)增多，容重增加，底部材料被壓實(shí)接觸熱阻減小了的原因，而且兩層3 mm的氣凝膠也大大降低了多層絕熱被的柔韌性。所以總體看來(lái)，40+40+1(#3)試樣是低溫工況的最優(yōu)配置。

從圖7可以看出，在高溫135℃下保溫40分鐘后，各試樣頂部中心溫度基本上趨于穩(wěn)定。與低溫實(shí)驗(yàn)結(jié)論相同，30+30(#1)的試樣保溫效果較差，試樣頂面溫度升至38℃。其它4種試樣保溫效果差別并不明顯，溫度都維持在30℃以下。40+40+1(#3)略?xún)?yōu)于其它3種試樣，溫度穩(wěn)定在28℃左右。

同低溫實(shí)驗(yàn)相比，氣凝膠在高溫實(shí)驗(yàn)中的作用并不明顯。因?yàn)樵诟邷貙?shí)驗(yàn)中，試樣內(nèi)密閉氣體受熱膨脹，層與層之間間隙增大，固體導(dǎo)熱會(huì)減小，所以氣凝膠的效果就不明顯了。此外，文獻(xiàn)中關(guān)于多層絕熱材料的研究發(fā)現(xiàn)，在絕熱材料的高溫段，輻射熱流占了總熱流的絕大部分，而在溫度比較低的一側(cè)，相鄰防輻射屏之間的固體導(dǎo)熱所占的比例明顯增大［2］。在高低溫兩組實(shí)驗(yàn)中，試樣的放置方式都使氣凝膠靠近底部一側(cè)，在低溫實(shí)驗(yàn)中，氣凝膠處于低溫段，大大減少了固體導(dǎo)熱，所以試樣的保溫效果得到明顯提升。而在高溫實(shí)驗(yàn)中，氣凝膠則處于高溫段，輻射熱流為主要熱流，所以氣凝膠沒(méi)有起到很大作用。若在高溫實(shí)驗(yàn)中改變含氣凝膠試樣的放置方式，40+40+1(#3)試樣的優(yōu)勢(shì)有望更加明顯。基于以上兩方面的原因，高溫工況的最佳配置也為40+40+1(#3)。

4 結(jié)論

分別制作了 30+30(#1)、40+40(#2)、40+40+1(#3)、50+50(#4)、50+50+2(#5)5 種應(yīng)用于常壓下的多層絕熱被試樣，設(shè)計(jì)和搭建了高溫、低溫環(huán)境模擬控制系統(tǒng)。通過(guò)測(cè)量多層絕熱被試樣內(nèi)外兩側(cè)及外側(cè)附近空氣的溫度，衡量各試樣的綜合絕熱性能。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析比較，無(wú)論是低溫還是高溫工況，40+40+1(#3)和50+50+2(#5)試樣的保溫性能都為最優(yōu)。但后者不僅多增加了一層柔韌性較差的氣凝膠，使得多層絕熱被整體上柔韌性大大降低，而且材料用量，重量也相應(yīng)增加不少。綜合考慮保溫性能和柔韌性能，40+40+1(#3)為常壓下柔性絕熱被的最佳配置，可實(shí)現(xiàn)-100℃不結(jié)霜、+135℃不變形不燙手，滿(mǎn)足-100℃—+135℃高低溫工況的柔性絕熱保溫要求。需要指出的是，本實(shí)驗(yàn)中樣品是水平布置的，外表面不利于空氣對(duì)流散熱。若將樣品垂直布置，試樣外表面附近易形成上下自然對(duì)流，氣體流動(dòng)加劇，更有利于抑制或清除試樣表面的結(jié)露現(xiàn)象。

1 孫培杰，吳靜怡，張鵬，等.氣體傳熱對(duì)多層絕熱性能影響的試驗(yàn)研究［J］. 低溫與超導(dǎo)，2008，36(11):6-12，20.

2 朱浩唯，黃永華，許奕輝，等.變密度多層絕熱的理論分析［J］.低溫工程，2011(6):42-46.

3 程嵐，陳金靜，于偉東.層間真空的多層柔性絕熱材料研究現(xiàn)狀［J］. 山東紡織科技，2007，(6):53-56.

4 付錫理.真空多層絕熱理論研究和傳熱計(jì)算［J］.低溫工程，1989，48(2):1-11.

5 陳國(guó)邦，張鵬.低溫絕熱與傳熱技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，2004.

6 朱浩唯，黃永華，李駿，等.真空多層絕熱性能測(cè)試裝置及初步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證［J］. 低溫工程，2012(3):47-51.

Experimental performance experiment measurement of flexible multi-layer insulation quilt in non-vacuum environment at high and low temperature

Yang Sichan Cheng Lei Yan Lu Huang Yonghua Wu Jingyi

(Institute of Refrigeration and Cryogenics，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China)

Flexible insulation quilt was fabricated and a high and low temperature environment test system was designed and built.The integrated insulation performance of several multi-layer insulation quilt samples was evaluated by measuring the temperatures on both sides and in the air near the outside surface.The influence of thickness，multilayer configuration mode and gas sealing on thermal insulation performance of the quilt samples in high and low temperature environment at normal pressure was also studied.The optimum thickness and configuration of the flexible multi-layer quilt was determined to meet the application between-100℃and+135℃.

flexible material;multilayer insulation;thermal insulation;high and low temperature environment;measurement

TB663

A

1000-6516(2013)04-0001-05

2013-06-05;

2013-07-29

國(guó)家自然科學(xué)基金(51176112)、上海航天基金(HTJ10-13)資助。

楊偲嬋，女，24歲，碩士研究生。