在現代工業生產中，能源的高效利用變得愈發重要，尤其是在高溫和低溫環境中，隔熱材料的選擇直接影響設備的能效和安全性。從減少制冷與制暖的輸送過程的能量損耗，到航空航天飛行器在穿越地球大氣層時需要耐高溫隔熱材料，再到冶煉和核電等領域的大型設備隔熱需求，開發高性能的隔熱材料已成為焦點。

形形色色的隔熱材料

目前在耐高溫隔熱領域，已經在使用的隔熱材料一般都是具有特殊的結構，因為內部結構的不同，被賦予不同層次的隔熱性能。根據結構的不同，隔熱材料可分為以下類型：孔狀結構較多的孔狀隔熱材料、多層堆疊的層狀隔熱材料、粉末狀原料制成的粉末狀隔熱材料以及由纖維材料制成的纖維基隔熱材料。它們都有什么區別，接下來一起看看吧！

以二氧化硅為例，不同形態的隔熱材料

1、粉末狀隔熱材料

粉末狀隔熱材料，是指對原材料進行粉碎預處理后，與一定比例的添加劑一起，在粘結劑的作用下混合均勻，然后注入設定好的模具中，進行風干、固化、脫坯等工藝，最后經過高溫燒結后得到的一種粉末狀高溫隔熱材料。

目前最具代表性的、使用范圍最廣的粉末狀隔熱材料是膨脹珍珠巖，它是將一種天然的硅質火山礦物“珍珠巖”粉碎后，進行一系列的篩選，高溫燒結后得到的產物。

珍珠巖

在高溫燒結過程中，珍珠巖內部的自由水與結合水瞬間汽化，使珍珠巖的內部發生膨脹，產生大量的蜂窩結構。由于其獨特的體系結構，具備防火耐高溫性能，體積密度介于40kg/m³和 140kg/m³之間。在防火耐高溫領域尤其是建筑物外墻的保溫保護以及鍋爐的熱管保護領域均有廣泛的應用。

膨脹珍珠巖的隔熱場合

但是由于其自身產出的氣孔缺陷，導致其耐水性能較差，且長時間使用后，表面會出現龜裂現象，這不僅會使材料的隔熱性能大打折扣，還會影響其使用壽命，進一步增加了相關產品的使用成本。

2、層狀隔熱材料

層狀隔熱材料往往是因為借助其不同的粘結結構而具備特殊的隔熱性能，主要包括間隔物和反射屏兩個組分，進一步通過縫合或者粘合的工藝使兩部分緊密聯系。

最初的層狀隔熱材料結構很單一，一般是使用金屬箔類材料作為反射屏，或者用碳化硅制成的薄板作為隔熱屏，與導熱系數較小的間隔物一起組成層狀隔熱材料。到如今，層狀隔熱材料的結構已有很大改進，在基材方面會選用耐高溫的硅鋁酸纖維以及石英纖維網，輔助填充以氣凝膠為主的隔熱材料，以此種工藝制備出的層狀隔熱材料隔熱溫度最高可到1000℃，材料平均密度在0.25 g/cm³以下，在200℃溫度下，其導熱系數可以降低到0.037 W/(m·K)，在隔熱應用方面有著優異的表現。

3、多孔狀隔熱材料

多孔狀隔熱材料是指內部具有密閉孔隙的材料，這些孔隙儲存大量靜止空氣，利用空氣導熱系數低的特點，減緩熱傳導。其不規則形狀的孔隙使熱量多維度擴散，進一步削弱熱量傳輸速度，實現優異的隔熱性能。目前常用的多孔狀隔熱材料主要是指各類氣凝膠材料。

二氧化硅氣凝膠

氣凝膠是世界上已知的密度最低的固體材料，具有三維分級多孔網絡結構，其典型的孔隙直徑大小為 2-50 nm，最常見的氣凝膠材料的孔徑在 10 nm 左右。由于材料孔隙率極高，在進行熱量傳輸時，固體導熱所做貢獻極低，而氣體導熱效率又很差，被限制在一個很低的水平。因此，對于孔狀結構較多的氣凝膠材料，不管賦予其任何環境條件，均能表現出優異的高溫隔熱性能。

目前科研人員已經研發出了各種各樣的氣凝膠材料，包括各種金屬、氧化物等種類。但氣凝膠問題在于力學性能差、抗震性差、易掉粉，制備工藝也有待提升。未來需開發更高效的冷凍干燥技術，使材料內部組分分布更均勻，以提高其高溫耐受性和整體性能。

氧化鋁氣凝膠

碳化硅氣凝膠

4、纖維基隔熱材料

纖維基隔熱材料按照不同的材料性質可以劃分為不同的種類，包括無機纖維材料、有機纖維材料、以及復合纖維基隔熱材料。在此三種材料之中，無機纖維的隔熱效應最為廣泛，因為其不僅可以提供良好的隔熱性能，還在材料的其它性能方面也有不錯的表現，例如質量更輕，更耐腐蝕等。

玻璃纖維針刺保溫氈

在纖維基隔熱材料的制備過程中，往往是利用粘結劑與分散機使纖維均勻混合，產生大量的纖維接觸點，這些接觸點的存在會改變熱流傳導的方向與速度，大幅度削弱相關的熱輻射效應。制備出的纖維基隔熱材料強度較高、導熱系數較低、在高溫環境下使用性能穩定，因此，其不論在隔熱材料中是被作為主體使用，還是作為多層隔熱材料中導熱系數較低的隔熱層，均發揮出很重要的作用。

纖維傳熱示意圖

近年來，纖維基隔熱材料憑借其優異的耐高溫隔熱性能以及良好的力學性能和貼合性能，使得我國市場上常見的隔熱材料中，超過60%以上的都是纖維基隔熱材料，其形式多樣，包括纖維板、纖維氈、纖維塊等，在高溫隔熱應用領域已經呈現出不可替代的形式。

總結

綜上所述，隔熱材料在現代工業中的應用至關重要，無論是孔狀、層狀、粉末狀，還是纖維基隔熱材料都各具特點。在選擇隔熱材料時，應根據具體應用場景和需求，綜合考慮材料的特性、性能和使用壽命，以實現最佳的隔熱效果和經濟效益。未來，隨著科技的進步和材料科學的發展，隔熱材料的性能和應用范圍將進一步提升，為工業生產和節能減排貢獻更大力量。

資料來源：

劉成凱. 柔性莫來石纖維材料的甩絲成型及其隔熱性能研究[D]. 上海:東華大學,2023.

Perlite: The Most Sustainable Insulation Solution for Buildings

吳一凡,王興濤,孫金峰,等. 二氧化硅纖維基隔熱材料研究進展[J]. 硅酸鹽通報,2023,42(11):4167-4177.

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