本節(jié)主要介紹絕熱材料、吸聲材料的作用原理及基本要求。簡(jiǎn)要介紹常用絕熱材料和吸聲材料品種。通過(guò)學(xué)習(xí)了解這類材料的特點(diǎn)。
一、絕熱材料
(一)絕熱材料的絕熱機(jī)理
1.熱量傳遞方式
(1)導(dǎo)熱"導(dǎo)熱"是指由于物體各部分直接接觸的物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)(分子、原子、自由電子)作熱運(yùn)動(dòng)而引起的熱能傳遞過(guò)程。
(2)對(duì)流"對(duì)流"是指由較熱的液體或氣體因遇熱膨脹而密度減小從而上升,冷的液體或氣體就補(bǔ)充過(guò)來(lái),形成分子的循環(huán)流動(dòng),這樣,熱量就從高溫的地方通過(guò)分子的相對(duì)位移傳向低溫的地方。
(3)熱輻射"熱輻射"是一種靠電磁波來(lái)傳遞能量的過(guò)程。
2.熱量傳遞過(guò)程
在每一實(shí)際的傳熱過(guò)程中,往往都同時(shí)存在著兩種或三種傳熱方式。例如,通過(guò)實(shí)體結(jié)構(gòu)本身的傳熱過(guò)程,主要是靠導(dǎo)熱,但一般建筑材料內(nèi)部或多或少地有些孔隙,在孔隙內(nèi)除存在氣體的導(dǎo)熱外,同時(shí)還有對(duì)流和熱輻射存在。
Q=λ/a(t1-t2).F.Z(1-46)
式中Q一一總的傳熱量,J或kcal;λ一一材料的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m.K)或kcal/m.h.℃;
a一一壁體的厚度,m;
t1、t2一一壁體內(nèi)、外表面的溫度,K或℃;
F——熱傳導(dǎo)面積,m2;
Z——傳熱時(shí)間,S或h。
絕大多數(shù)建筑材料的導(dǎo)熱系數(shù)介于0.029-3.49W/(m·K)(0.025-3.0kcal/(m.h.℃)之間,λ值越小說(shuō)明該材料越不易導(dǎo)熱。建筑中,一般把值小于0.23W/(m·K)的材料叫做絕熱材料。
3.絕熱材料的絕熱作用機(jī)理
(1)多孔型
在常溫固體下對(duì)流和輻射傳熱在總的傳熱中所占比例很小,故以氣孔中氣體的導(dǎo)熱為主。但由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)僅為O.029W/(m·K)(即0.025kcal/m·h·℃),大大小于固體的導(dǎo)熱系數(shù),故熱量通過(guò)氣孔傳遞的阻力較大,從而傳熱速度大大減緩。
(2)纖維型
纖維型絕熱材料的絕熱機(jī)理基本上和通過(guò)多孔材料的情況相似。傳熱方向和纖維方向垂直時(shí)的絕熱性能比傳熱方向和纖維方向平行時(shí)要好一些。
(3)反射型
當(dāng)外來(lái)的熱輻射能量I0投射到物體上時(shí),通常會(huì)將其中一部分能量IB反射掉,另一部分IA被吸收(一般建筑材料都不能穿透熱射線,故透射部分忽略不計(jì))。根據(jù)能量守恒原理,則:
IA+IB=I0
凡是反射能力強(qiáng)的材料,吸收熱輻射的能力就小,反之,如果吸收能力強(qiáng),則其反射率就小。
(二)絕熱材料的性能
1.導(dǎo)熱系數(shù)
(1)材料的物質(zhì)構(gòu)成:材料的導(dǎo)熱系數(shù)受自身物質(zhì)的化學(xué)組成和分子結(jié)構(gòu)的影響�；瘜W(xué)組成和分子結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的物質(zhì)比結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物質(zhì)有較大的導(dǎo)熱系數(shù)。
(2)孔隙率:由于固體物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)比空氣的導(dǎo)熱系數(shù)大得多,故材料的孔隙率越大,一般來(lái)說(shuō),材料的導(dǎo)熱系數(shù)越小。材料的導(dǎo)熱系數(shù)不僅與孔隙率有關(guān),而且還與孔隙的大小、分布、形狀及連通狀況有關(guān)。
(3)溫度:材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而增大,因?yàn)闇囟壬?材料固體分子的熱運(yùn)動(dòng)增強(qiáng),同時(shí)材料孔隙中空氣的導(dǎo)熱和孔壁間的輻射作用也有所增加。
(4)濕度:材料受潮吸水后,會(huì)使其導(dǎo)熱系數(shù)增大。這是因?yàn)樗膶?dǎo)熱系數(shù)比空氣的導(dǎo)熱系數(shù)要大約20倍所致。若水結(jié)冰,則由于冰的導(dǎo)熱系數(shù)約為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)的80倍左右,從而使材料的導(dǎo)熱系數(shù)增加更多。
(5)熱流方向:對(duì)于纖維狀材料,熱流方向與纖維排列方向垂直時(shí)材料表現(xiàn)出導(dǎo)熱系數(shù)要小于平行時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)。這是因前者對(duì)對(duì)流能起有效的阻止作用所致。
2.溫度穩(wěn)定性
材料在受熱作用下保持其原有性能不變的能力,稱為絕熱材料的溫度穩(wěn)定性。通常用其不致喪失絕熱能的極限溫度來(lái)表示。
3.吸濕性
絕熱材料從潮濕環(huán)境中吸收水分的能力稱為吸濕性。一般其吸濕性越大,對(duì)絕熱效果越不利。
4.強(qiáng)度
由于絕熱材料含有大量孔隙,故其強(qiáng)度一般均不大,因此不宜將絕熱材料用于承受外界荷載部位。對(duì)于某些纖維材料有時(shí)常用材料達(dá)到某一變形時(shí)的承載能力作為其強(qiáng)度代表值。
選用絕熱材料時(shí),導(dǎo)熱系數(shù)不宜大于0.23W/(m·K),表觀密度不宜大于600kg/m3,塊狀材料的抗壓強(qiáng)度不低于3MPa,絕熱材料的溫度穩(wěn)定性應(yīng)高于實(shí)際使用。另外,由于大多數(shù)絕熱材料都具有一定的吸水、吸濕能力,故在實(shí)際使用時(shí),需在其表層加防水層或隔汽層。
(三)常用絕熱材料
1.硅藻土
硅藻士是一種被稱為硅藻的水生植物的殘骸。其孔隙率為50%~80%,導(dǎo)熱系數(shù)A=0.060W/(m·K),最高使用溫度約為900℃。硅藻土常用作填充料,或用其制作硅藻土磚等。
2.膨脹蛭石
蛭石是一種復(fù)雜的鎂、鐵含水鋁硅酸鹽礦物,由云母類礦物經(jīng)風(fēng)化而成,具有層狀結(jié)構(gòu)。其表觀密度87~900kg/m3,導(dǎo)熱系數(shù)A=0.046~0.07W/(m·K),最高使用溫度為1000----1100℃。膨脹蛭石除可直接用于填充材料外,還可用膠結(jié)材(如水泥、水玻璃等)將膨脹蛭石膠結(jié)在一起制成膨脹蛙石制品。
3.膨脹珍珠巖
珍珠巖由地下噴出的熔巖在地表水中急冷而成。其堆積密度為40~500kg/時(shí),導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.025~0.048W/(m·K),最高使用溫度可達(dá)800℃,最低使用溫度為-200℃。膨脹珍珠巖除可用作填充材料外,還可與水泥、水玻璃、瀝青、教土等結(jié)合制成膨脹珍珠巖絕熱制品。
4.發(fā)泡黏土
將一定礦物組成的勃土(或頁(yè)巖)加熱到一定溫度會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的高溫液相,同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的氣體,由于氣體受熱膨脹,使其體積大數(shù)倍,冷卻后即得到發(fā)泡動(dòng)土(或發(fā)泡頁(yè)巖)輕質(zhì)骨料。其表觀密度約350kg/m3,導(dǎo)熱系數(shù)為0.105W/Cm·K),可用作填充材料和混凝土輕骨料。
5.輕質(zhì)混凝土
輕質(zhì)混凝土包括輕骨料混凝土和多孔混凝土。
輕骨料混凝土由于采用的輕骨料有多種,如稀土陶粒、膨脹珍珠巖等,采用的膠結(jié)材也有多種,如普通硅酸鹽水泥、磯土水泥、水玻璃等,從而使其性能和應(yīng)用范圍變化很大。以水玻璃為膠結(jié)材,以陶粒為粗骨料,以蛭石砂為細(xì)骨料的輕骨料混凝土,其表觀密度約為1100kg/m3,導(dǎo)熱系數(shù)為O.222W/m·K)。
多孔混凝土主要有泡沫混凝土和加氣混凝土。泡沫混凝土的表觀密度約為300-500kg/m3,導(dǎo)熱系數(shù)約為0.082-0.186W/m·K);加氣混凝土的表觀密度約為400-700kg/時(shí),導(dǎo)熱系數(shù)約為0.093-0.164W/m·K)。
6.微孔硅酸鈣
微孔硅酸鈣是以石英砂、普通硅石或活性高的硅藻土以及石灰為原料經(jīng)過(guò)水熱合成的絕熱材料。其主要水化產(chǎn)物為托貝莫來(lái)石或硬硅鈣石。以托貝莫來(lái)石為主要水化產(chǎn)物的微孔硅酸鈣,其表觀密度約為200kg/m3,導(dǎo)熱系數(shù)約為0.047W/m·K),最高使用溫度約為650℃;以硬硅鈣石為主要水化產(chǎn)物的微孔硅酸鈣。其表觀密度約為230kg/時(shí),導(dǎo)熱系數(shù)約為0.056W/m·K),最高使用溫度約為1000℃。
7.泡沫玻璃
用玻璃粉和發(fā)泡劑配成的混合料經(jīng)鍛燒而得到的多孔材料稱為泡沫玻璃。氣孔在泡沫玻璃中占總體積的80%-95%,而玻璃只占總體積的20%-5%。泡沫玻璃的表觀密度為150"'-'600kg/時(shí),導(dǎo)熱系數(shù)為0.058-0.128W/m·K),抗壓強(qiáng)度為0.8-15MPa,最高使用溫度為300-400℃(采用普通玻璃)、800-1000℃(采用無(wú)堿玻璃)。泡沫玻璃可用來(lái)砌筑墻體,也可用于冷藏設(shè)備的保溫,或用作漂浮、過(guò)濾材料。
8.巖棉及礦渣棉
巖棉和礦渣棉統(tǒng)稱礦物棉,由熔融的巖石經(jīng)噴吹制成的稱為巖棉,由熔融礦渣經(jīng)噴吹制成的稱為礦渣棉。將礦棉與有機(jī)膠結(jié)劑結(jié)合可以制成礦棉板、氈、筒等制品。其表觀密度約為45-150kg/m3,導(dǎo)熱系數(shù)約為0.049-0.044W/m·K),最高使用溫度為600℃。
9.玻璃棉
將玻璃熔化后從流口流出的同時(shí),用壓縮空氣噴吹形成亂向玻璃纖維,也稱玻璃棉。其纖維直徑約20μm,表觀密度為10-120kg/m3,導(dǎo)熱系數(shù)為0.041-'0.035W/m·K),最高使用溫度:采用普通有堿玻璃為350℃,采用無(wú)堿玻璃時(shí)為600℃。玻璃棉除可用作圍護(hù)結(jié)構(gòu)及管道絕熱外,還可用于低溫保冷工程。
10.陶瓷纖維
陶瓷纖維為采用氧化硅、氧化鋁為原料,經(jīng)高溫熔融、噴吹制成。其纖維直徑為2-4μm,表觀密度約140-190kg/rn3,導(dǎo)熱系數(shù)0.044-0.049W/m·K),最高使用溫度1100-1350℃。陶瓷纖維可制成氈、毯、紙、繩等制品,用于高溫絕熱,還可將陶瓷纖維用于高溫下有吸聲材料。
11.吸熱玻璃
在普通的玻璃中加入氧化亞鐵等能吸熱的著色劑或在玻璃表面噴涂氧化錫可制成吸熱玻璃。這種玻璃與相同厚度的普通玻璃相比,其熱阻擋率可提高2.5倍,我國(guó)生產(chǎn)的茶色、灰色、藍(lán)色等玻璃即為此類玻璃。
12.熱反射玻璃
在平板玻璃表面采用一定方法涂敷金屬或金屬氧化膜,可制得熱反射玻璃。該玻璃的熱反射率可達(dá)40%,從而可起絕熱作用。熱反射玻璃多用門、窗、櫥窗上,近年來(lái)廣泛用作高層建筑的幕墻玻璃。
13.中空玻璃
中空玻璃是由兩層或兩層以上平板玻璃或鋼化玻璃、吸熱玻璃及熱反射玻璃,以高強(qiáng)度氣密性的密封材料將玻璃周邊加以密封,而玻璃之間一般留有10-30mm的空間并充人干燥空氣而制成。如中間空氣層厚度為10mm的中空玻璃,其導(dǎo)熱系數(shù)為0.100W/(m-K),而普通玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)為0.756W/(m。K)。
14.窗用絕熱薄膜
窗用絕熱薄膜是以聚酶薄膜經(jīng)紫外線吸收劑處理后,在真空中蒸鍍金屬粒子沉積層,然后與有色透明塑料薄膜壓制而成。該薄膜的陽(yáng)光反射率最高可達(dá)80%,可見光的透過(guò)率可下降70%"-'80%。
15.泡沫塑料
(1)聚氨基甲酸醋泡沫塑料:其表觀密度30-65kg/m3,導(dǎo)熱系數(shù)為0.035-0.042W/(m.K),最高使用溫度為120℃,最低使用溫度為一60℃�？捎糜谖菝�、墻面絕熱,還可用于吸聲、浮力、包裝及襯墊材料。
(2)聚苯乙烯泡沫塑料:其表觀密度約20-50kg/m3,導(dǎo)熱系數(shù)約0.038-0.047W/(m·K),最高使用溫度70℃。聚苯乙烯泡沫塑料的特點(diǎn)是強(qiáng)度較高,吸水性較小,但其自身可以燃燒,需加入阻燃材料�？捎糜谖菝�、墻面絕熱,也可與其他材料制成夾芯板材使用,同樣也可用于包裝減震材料。
(3)聚氯乙烯泡沫塑料:其表觀密度約12-72kg/m3,導(dǎo)熱系數(shù)約0.045-0.031W/(m·K),最高使用溫度70℃。聚氯乙烯泡沫塑料遇火自行滅火,故該泡沫塑料可用于安全要求較高的設(shè)備保溫上。又由于其低溫性能良好,故可將其用于低溫保冷方面。
16.碳化軟木板
碳化軟木板是以一種軟木橡樹的外皮為原料,經(jīng)適當(dāng)破碎后再在模型中成型,在300℃左右熱處理而成。其表觀密度105-437kg/時(shí),導(dǎo)熱系數(shù)約0.044-0.079W/(m-K),最高使用溫度為130℃,由于其低溫下長(zhǎng)期使用不會(huì)引起性能的顯著變化,故常用作保冷材料。
17.纖維板
采用木質(zhì)纖維或稻草等草質(zhì)纖維經(jīng)物理化學(xué)處理后,加入水泥、石膏等膠結(jié)劑,再經(jīng)過(guò)濾壓而成。其表觀密度210-1150kg/m3,導(dǎo)熱系數(shù)為0.058"-'0.307W/(m-K)�？捎糜趬Ρ�、地板、頂棚等,也可用于包裝箱、冷藏庫(kù)等。
18.蜂窩板
蜂窩板是由兩塊較薄的面板,牢固地粘結(jié)一層較厚的蜂窩狀心材兩面而成的板材,亦稱蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。蜂窩板強(qiáng)度重量比大、導(dǎo)熱性低和抗震性好等多種功能。
二、吸聲隔聲材料
(一)吸聲材料概述
聲音起源于物體的振動(dòng),如說(shuō)話時(shí)聲帶的振動(dòng)和打鼓時(shí)鼓皮的振動(dòng)(聲帶和鼓皮稱為聲源)。聲源的振動(dòng)迫使鄰近的空氣跟著振動(dòng)而形成聲波,并在空氣介質(zhì)中向四周傳播。
聲音在傳播過(guò)程中,一部分由于聲能隨著距離的增大而擴(kuò)散,另一部分則因空氣分子的吸收而減弱。當(dāng)聲波遇到材料表面時(shí),被吸收聲能(E)與入射聲能(Eo)之比,稱為吸聲系數(shù)α即:α=E/E0Xl00%
材料的收聲系數(shù)與聲波的方向、聲波的頻率及材料中的氣孔有關(guān)。為了全面反映材料的吸聲特性,通常取125Hz、250Hz、500Hz、1000Hz,2000Hz,4000Hz六個(gè)頻率的平均吸聲系數(shù)表示材料的吸聲性能。凡六個(gè)頻率的平均吸聲系數(shù)大于0.2的材料,可稱為吸聲材料。材料的吸聲系數(shù)越高,吸聲效果越好。在音樂(lè)廳、影劇院、大會(huì)堂、播音室等內(nèi)部的墻面、地面、頂棚等部位適當(dāng)采用吸聲材料,能改善聲波在室內(nèi)傳播的質(zhì)量,保持良好的音響效果。
為達(dá)到較好的吸聲效果,材料的氣孔應(yīng)是開放的,且應(yīng)相互連通,氣孔越多,吸聲性能越好。大多數(shù)吸聲材料強(qiáng)度較低,因此應(yīng)設(shè)置在護(hù)壁臺(tái)以上,以免撞壞。吸聲材料易于吸濕,安裝時(shí)應(yīng)考慮到脹縮的影響。此外還應(yīng)考慮防火、防腐、防蛀等問(wèn)題。
(二)吸聲材料的類型及其結(jié)構(gòu)形式
1.多孔性吸聲材料
多孔性吸聲材料是比較常用的一種吸聲材料,它具有良好的中高頻吸聲性能。影響材料吸聲性能主要因素有材料表觀密度和構(gòu)造、材料厚度、材料背后空氣層、材料表面特征等。
多孔性吸聲材料與絕熱材料都是多孔性材料,但在材料孔隙特征要求上有著很大差別。絕熱材料要求具有封閉的互不連通的氣孔,這種氣孔愈多則保溫絕熱效果愈好,吸聲材料,則要求具有開放和互相連通的氣孔,這種氣孔愈多,則其吸聲性能愈好。
2.薄板振動(dòng)吸聲結(jié)構(gòu)
薄板振動(dòng)的吸聲結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是具有低頻吸聲特性,同時(shí)還有助聲波的擴(kuò)散。建筑中常用產(chǎn)品有膠合板、薄木板、硬質(zhì)纖維板、石膏板、石棉水泥板或金屬板等,把它們周邊固定在墻或頂棚的龍骨上,并在背后留有空層,即成薄板振動(dòng)吸聲結(jié)構(gòu)。
3.共振吸聲結(jié)構(gòu)
共振吸聲結(jié)構(gòu)具有封閉的空腔和較小的開口,很像個(gè)瓶子。當(dāng)瓶腔遇空氣受到外力激蕩,會(huì)按一定的頻率振動(dòng),這就是共振吸聲器。
為了獲得較寬頻帶的吸聲性能,常采用組合共振吸聲結(jié)構(gòu)或穿孔板組合共振吸聲結(jié)構(gòu)。
4.穿孔板組合共振吸聲結(jié)構(gòu)
穿孔板組合共振吸聲結(jié)構(gòu)具有適合中頻的吸聲特性。
這種吸聲結(jié)構(gòu)在建筑中使用比較普遍,是將穿孔的膠合板、硬質(zhì)纖維板、石膏板、石棉水泥板、鋁合板、薄鋼板等周邊固定在龍骨上,并在背后設(shè)置空氣層而構(gòu)成。
5.柔性吸聲材料
柔性吸聲材料是具有密閉氣孔和一定彈性的材料,如聚氯乙烯泡沫塑料。這種材料的吸聲特性是在一定的頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)吸收頻率。
6.懸掛空間吸聲體
懸掛于空間的吸聲體,由于聲波與吸聲材料的兩個(gè)或兩個(gè)以上的表面接觸,增加了有效的吸聲面積,產(chǎn)生邊緣效應(yīng),加上聲波的衍射作用,大大提高實(shí)際的吸聲效果。實(shí)際使用時(shí),可根據(jù)不同的使用地點(diǎn)和要求,設(shè)計(jì)成各種形式的懸掛在頂棚下的空間吸聲體�？臻g吸聲體有平板形、球形、圓錐形、棱錐形等多種形式。
7.簾幕吸聲體
簾幕吸聲體是用具有通氣性能的紡織品。安裝在離墻面或窗洞一定距離處,背后設(shè)置空氣層。這種吸聲體對(duì)中、高頻都有一定的吸聲效果。簾幕的吸聲效果與材料種類和榴櫚有關(guān)。簾幕吸聲體安裝、拆卸方便,兼具裝飾作用,應(yīng)用價(jià)值較高。
(三)隔聲材料
墻或板傳聲的大小,主要取決于其單位面積質(zhì)量,質(zhì)量越大,越不易振動(dòng),則隔聲效果越好。因此,應(yīng)選擇密實(shí)、沉重的材料作為隔聲材料。而吸聲性能好的材料,一般為輕質(zhì)、疏松、多孔的材料,不能簡(jiǎn)單地就把它作為隔聲材料來(lái)使用。
