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强文推荐|TA热流计法表征真空绝热板(VIP板)的导热性能
 2021-05-17    来源:TA仪器     原文链接

关键词绝热材料,真空绝热板,导热系数,热流计法,LasercompEKO

低温保冷能耗要求的进一步降低,促进了新型真空绝热材料的研发和应用,VIPVacuum Insulation Panel)真空绝热板的研发方兴未艾。导热系数,作为其最重要的性能,一直是研发的重点。因为VIP板的极低导热系数,对导热系数测试结果的准确可靠性提出了挑战。TA仪器的Fox系列(原EKO系列)稳态热流计法导热仪,可以对VIP材料提供完美的表征,可测导热系数范围低至0.001 W/(mK),精密度+0.2%。


仪器方法

在绝热材料的研发和应用中,导热系数作为其主要的性能参数指标,需要准确的测量设备来表征。TA仪器的Fox系列热流计法导热仪,采用稳态法测量导热系数,符合ASTM C518ISO 8301国际标准和GB/T 10295的国内标准,以产品的精准性、耐用性和易用性享誉业界,拥有陶氏化学、拜耳、巴斯夫、Huntsman、杜邦、Shell以及Oak Ridge 国家实验室、英国NPL实验室等众多客户,也是国内各大科研机构和检测中心的首选设备。

Fox系列导热仪采用线性光学编码器,能够实现低至25 μm的厚度测量精度,仪器可以自动测量或预设样品厚度。独特的小于1mm薄膜热流传感器技术,能够提供真实的热流密度测量。

Fox系列提供真空或其它气氛测量配件,搭配使用涡轮分子泵,可以实现高达10-10 atm的高真空度。从而实现不同气压下对特殊材料如真空绝热板(VIP)或发泡材料的测量。


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图1Fox 600的旋转配置和Fox200的真空配置

Fig. 1 Rotational system andVacuum configuration

Fox系列可配置自动进样器(ASF),可自动加载20个标准尺寸的样品,最大限度地提高测试效率。仪器可以独立操作,也可以连电脑操作。

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图2配有自动进样器的Fox 314

Fig.2 Fox 314 model with ASF


特别说明

研究者在查阅国外文献时,碰到的一个疑惑是,Fox系列属于Lasercomp公司,和TA Instruments是分列出来的。比如在2015年的文献:“Critical Review of Industrial Techniquesfor Thermal Conductivity Measurements of Thermal Insulation Materials,Int. J. Thermophys. ”中,是这么总结的:

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这篇论文的递交日期是2014年,这一年,TA仪器(美国New Castle)并购了Lasercomp公司(美国Massachusetts),所以现在的叫法是TA Lasercomp。

Lasercomp以前的亚洲经销商是日本EKO公司,在中国由五洲东方代理,研究者看到的型号是:EKO-HC-074。比如HC-074-200,那么对应的国际统一的型号是Fox 200。其中200的意思是样品室的最大尺寸是200*200 mm。如Fox1000的意思是样品室的最大尺寸是1000*1000mm。


超级纳米绝热材料

20世纪40年代,美国首次在绝热材料中引入纳米孔结构,50年代,美国制成小于空气导热系数的Min-K材料,主要成分为纳米级TiO2、纤维、树脂等。上世纪末,美国生产出2~20nm的纳米孔硅质超级绝热材料产品,同时真空PU绝热材料问世,后又制成VIP真空纳米孔硅质超级绝热材料(图4),其导热系数为0.0036W/(mK),不到空气导热系数0.02的1/5。

其主要通过四种途径来降低材料的导热系数。一是选择低导热的固体材料,降低固相的热传导;二是增加固相和气相之间的界面,尽可能的提高气孔率,这样可以增加界面对导热载体如声子的散射;三是降低气孔尺寸,进入纳米尺寸的气孔内的气体分子的平均自由程被限制,气体导热可以最大限度的被抑制,降低气体导热。四是在配方中添加挡光剂,如ZrO2等对光折射率较高的散射剂。

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图3 超级绝热材料和VIP

Fig.3Super insulations and VIP


我们应用Fox200的真空系统测量了硅质VIP板的芯材在不同气压下的导热系数,结果见图4,图中气压为对数坐标。结果表明,芯材随着气压降低导热系数迅速降低。

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图4VIP芯材在不同气压下的导热系数

Fig.4 Pressure dependence of VIPcore


参考文献

《中国工程材料大典》第九卷,第一部分《绝热材料》 奚同庚,蔡岸, 2006,化学工业出版社

CriticalReview of Industrial Techniques for Thermal Conductivity Measurements of ThermalInsulation Materials,UlfHammerschmidt,etc. 2015, Int. J. Thermophys