CN109483969A - 复合隔热材料、隔热件及隔热装备 - Google Patents

复合隔热材料、隔热件及隔热装备 Download PDF

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Abstract

本发明属于功能性材料技术领域，涉及一种复合隔热材料、隔热件及隔热装备。本发明提供的复合隔热材料，包括：隔热层和一表面形成有石墨烯层的反射屏，所述石墨烯层与隔热层贴合。其中，隔热层，可抑制热传导；反射屏能对热辐射射线进行反射，进而隔绝热辐射；通过在反射屏的一表面形成石墨烯层，利用石墨烯各向异性的特点，将高温区域的热量传递至低温区域，使得隔热材料的温度分布更均匀，进而提高隔热材料整体的隔热性能及其热冲击防护能力。因此，该复合隔热材料具有优异的性能。此外，该复合隔热材料简单可靠、成熟度高，可行性好。包含该复合隔热材料的隔热件及隔热装备，至少与上述复合隔热材料具有相同的优势。

Description

复合隔热材料、隔热件及隔热装备
技术领域
本发明属于功能性材料技术领域，具体而言，涉及一种复合隔热材料、隔热件及隔热装备。
背景技术
隔热材料是能阻滞热流传递的材料，又称热绝缘材料。
随着装甲车辆、直升机、各型舰船、核动力等各类装备的不断发展和进步，它们的动力或传动系统所处的热环境也越来越严酷。通常采用多层隔热材料对装备的热源进行隔离，这种传统的多层隔热材料具有良好的隔热性能。但是，这些装备的动力或传动系统产生热量的装置所产生的热量，其温度的分布通常为不均匀温度场，当将传统的多层隔热材料应用于热源温度场分布不均匀的位置时，为使冷面温度满足使用需求，要么采用更多的叠层材料叠合，这种方式增加了整体隔热材料的厚度和重量；要么依据温度分布形态对隔热材料进行分型，这种方式增加了成本。此外，各叠层材料的物理性能随温度变化具有一定的差异性，这种差异性会使各叠层材料在受到非均匀温度场所产生的热冲击作用时产生热应力，进而会对隔热材料的整体结构及性能产生不利影响。
鉴于此，特提出本发明以解决上述问题中的至少一个。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种复合隔热材料，通过在反射屏的一表面形成石墨烯层，利用石墨烯各向异性的特点，将高温区域的热量传递至低温区域，使得隔热材料的温度分布更均匀，进而提高隔热材料整体的隔热性能及其对热冲击的防护能力。
本发明的第二目的在于提供一种隔热件，包含该复合隔热材料的隔热件，至少与该复合隔热材料具有相同的优势。
本发明的第三目的在于提供一种包含所述复合隔热材料或所述隔热件的隔热装备。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
根据本发明的一个方面，本发明提供一种复合隔热材料，包括：隔热层和一表面形成有石墨烯层的反射屏；
所述石墨烯层与隔热层贴合。
作为进一步优选技术方案，所述石墨烯层通过化学气相沉积法在反射屏的一表面沉积；
优选地，沉积温度为500-1000℃，沉积时间为10-30min。
作为进一步优选技术方案，所述石墨烯层的层数为1-10层；
优选地，所述石墨烯层的层数为1-3层。
作为进一步优选技术方案，所述石墨烯层的气源包括CH4、C2H4或C2H2中的任意一种。
作为进一步优选技术方案，所述石墨烯层在平面方向导热系数为1000-6000W/mK，在轴向导热系数为5-40W/mK；
优选地，所述石墨烯层在平面方向导热系数为3000-6000W/mK，在轴向导热系数为5-30W/mK。
作为进一步优选技术方案，所述隔热层的材料包括多孔材料；
优选地，所述多孔材料包括纤维材料或气凝胶；
进一步优选地，所述纤维材料包括纤维纸、纤维毡、纤维垫或纤维板中的任意一种。
作为进一步优选技术方案，所述反射屏的材料包括金属箔或表面形成有金属层的塑料薄膜；
优选地，所述金属箔包括铝箔、铜箔、金箔、镍箔、钼箔或不锈钢箔中的任意一种；
优选地，所述金属层包括银层或铝层，所述塑料薄膜包括聚酯薄膜或聚酰亚胺薄膜。
作为进一步优选技术方案，所述隔热层的厚度为0.1-10mm；
和/或，所述反射屏的厚度为0.015-0.05mm。
根据本发明的另一个方面，本发明还提供一种隔热件，包括所述的复合隔热材料；
优选地，隔热件采用所述复合隔热材料通过层叠方式制成。
根据本发明的另一个方面，本发明还提供一种包含所述的复合隔热材料或所述的隔热件的隔热装备。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明提供的一种复合隔热材料，包括：隔热层和一表面形成有石墨烯层的反射屏。其中，隔热层，可抑制热传导；反射屏能对热辐射射线进行反射，进而隔绝热辐射；通过在反射屏的一表面形成石墨烯层，利用石墨烯各向异性的特点，将高温区域的热量传递至低温区域，使得隔热材料的温度分布更均匀，进而提高隔热材料整体的隔热性能及其热冲击防护能力。因此，该复合隔热材料具有优异的性能。
此外，该复合隔热材料简单可靠、成熟度高，可行性好。
2、本发明提供的一种隔热件及隔热装备，包含上述复合隔热材料。因此，包含该复合隔热材料的隔热件及隔热装备，至少与上述复合隔热材料具有相同的优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种实施方式提供的复合隔热材料的结构示意图；
图2为本发明一种实施方式提供的隔热件的结构示意图；
图3为本发明一种实施方式中用于隔热性能测试的装置的示意图；
图4为本发明一种实施方式中隔热性能测试的测温点分布示意图。
附图标记：
101-反射屏；102-石墨烯层；103-隔热层；301-温度记录仪；302-温控装置；311-冷面温度热电偶；312-热面温度热电偶；313-绝热材料；314-加热器；321-隔热试样。
具体实施方式
下面将结合实施方式和实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施方式和实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
第一方面，在至少一个实施例中提供一种复合隔热材料，包括：隔热层和一表面形成有石墨烯层的反射屏；
石墨烯层与隔热层贴合。
石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面碳材料，它具有优越的力学、热学、电学等性能，其导热系数具有各向异性，即：石墨烯在平面方向(也可称为X/Y轴方向)上的导热系数高，而在轴向(也可称为Z轴方向)上的导热系数比传统的金属材料低。石墨烯所具有的这种性能，使得其极易将高温区域的热量传递至低温区域。
反射屏通常是通过自身较高的反射系数来将热量反射出去，从而起到隔热的作用；隔热层则是利用自身具有低导热系数的孔隙结构进行隔热或利用其内部真空达到阻隔对流来隔热。
本发明主要针对现有技术中传统的隔热材料应用到热源温度分布不均匀的温度场时表现不佳的问题，提供了一种复合隔热材料，通过在反射屏的一表面形成石墨烯层，利用石墨烯各向异性的特点，将高温区域的热量传递至低温区域，使得隔热材料的温度分布更均匀，进而提高隔热材料整体的隔热性能及其对热冲击的防护能力。
本发明提供的复合隔热材料的结构示意图如图1所示(包括反射屏101，石墨烯层102和隔热层103)，在反射屏的一侧引入石墨烯层，在石墨烯层的一侧放置隔热层。隔热层，可抑制热传导；反射屏能对热辐射射线进行反射，进而隔绝热辐射；通过在反射屏的一表面形成石墨烯层，利用石墨烯各向异性的特点(石墨烯在X/Y轴方向具有极高的导热系数，在Z轴方向导热系数较低)，可将局部高温区域的热量在X/Y轴方向传递至低温区域，使得反射屏冷面的热量分布趋于均匀，提升隔热材料或结构的整体隔热效果，减少热冲击在隔热材料或结构中产生的热应力。综上所述，本发明提供的复合隔热材料应用了传导和辐射同时抑制的复合隔热原理，同时利用了石墨烯的各向异性导热性能，综合提高了隔热材料的热防护能力。
需要说明的是，“冷面”指远离高温(热源)的一侧，“热面”指靠近高温(热源)的一侧。
在一种优选的实施方式中，石墨烯层通过化学气相沉积法在反射屏的一表面沉积；
优选地，沉积温度为500-1000℃，沉积时间为10-30min。
在一种优选的实施方式中，石墨烯层的层数为1-10层；
优选地，石墨烯层的层数为1-3层。
需要说明的是，本发明对于化学气相沉积的温度及时间没有特殊限制，典型但非限制的，例如：沉积温度可以为500℃，550℃，600℃，650℃，700℃，800℃，900℃或1000℃；沉积时间可以为10min，15min，20min，22min，25min，27min或30min；
同样地，石墨烯层的层数，典型但非限制的，可以为1层，2层，3层，5层，7层，10层。可以理解的是，在实验中可通过控制化学气相沉积的时间来控制石墨烯层的层数，即沉积时间越长，石墨烯层的层数越多。
在一种优选的实施方式中，石墨烯层的气源包括CH4、C2H4或C2H2中的任意一种。
应当理解的是，在化学气相沉积的过程中，石墨烯层的来源气体可以为CH4，可以为C2H4，还可以为C2H2。
在一种优选的实施方式中，石墨烯层在平面方向导热系数为1000-6000W/mK，在轴向导热系数为5-40W/mK；
优选地，石墨烯层在平面方向导热系数为3000-6000W/mK，在轴向导热系数为5-30W/mK。
需要说明的是，石墨烯具有在平面方向上的导热系数高，而在轴向上的导热系数低的特点，但石墨烯的各向异性导热性能还与石墨烯自身的质量、厚度等有关。通过筛选出在平面方向导热系数为1000-6000W/mK，优选为3000-6000W/mK，在轴向导热系数为5-40W/mK，优选为5-30W/mK的石墨烯有助于更好的发挥复合隔热材料的优良性能。
在一种优选的实施方式中，隔热层的材料包括多孔材料；
优选地，多孔材料包括纤维材料或气凝胶；
进一步优选地，纤维材料包括纤维纸、纤维毡、纤维垫或纤维板中的任意一种。
多孔材料本身含有大量的孔隙，而这些孔隙可被空气填充，而空气的导热系数很低，可以起到良好的隔热作用。此外，多孔材料价格低廉，应用广泛。
在一种优选的实施方式中，反射屏的材料包括金属箔或表面形成有金属层的塑料薄膜；
优选地，金属箔包括铝箔、铜箔、金箔、镍箔、钼箔或不锈钢箔中的任意一种；
优选地，金属层包括银层或铝层，塑料薄膜包括聚酯薄膜或聚酰亚胺薄膜。
通常金属材质或镀有金属的薄膜有着比较大的反射系数，因此，它们可作为反射屏的材料用于反射热量，起到隔热的作用。
在一种优选的实施方式中，隔热层的厚度为0.1-10mm；
和/或，反射屏的厚度为0.015-0.05mm。
应当理解的是，可根据实际需要，选择不同厚度的隔热层或者反射屏，且它们厚度的取值互不影响。典型但非限制的，隔热层的厚度可以为：0.1mm，0.5mm，1mm，3mm，5mm，8mm或10mm；反射屏的厚度可以为：0.015mm，0.02mm，0.03mm，0.04mm或0.05mm。
第二方面，在至少一个实施例中提供一种隔热件，包括复合隔热材料；
优选地，隔热件采用复合隔热材料通过层叠方式制成。
本发明提供的隔热件，不仅具有上述复合隔热材料的优势，而且通过复合隔热材料的合理层叠复合，进一步降低对流传热，进一步提升其隔热性能和热冲击防护能力。
需要说明的是，层叠可以是上述复合隔热材料重复层叠，也可以是上述复合隔热材料与常规反射屏(表面未形成有石墨烯层的反射屏)及隔热层交替层叠。另外，可根据实际需要，层叠出不同层数的隔热件，例如：隔热件的结构示意图如图2所示；
层叠中的隔热层可以是同一种隔热材料，也可以是不同种隔热材料；
在层叠过程中，复合隔热材料中的形成有石墨烯层的反射屏应尽量靠近高温一侧。这样设置的好处是，首先可以利用反射屏反射部分的热量，同时利用石墨烯层使剩余热量均匀化，提高材料整体对热冲击的防护能力。
第三方面，在至少一个实施例中提供一种包含复合隔热材料或隔热件的隔热装备。
需要说明的是，本发明提供的复合隔热材料及隔热件可应用到任何有隔热需求的隔热装备上，例如装甲车、直升机或各种舰等。
本发明提供的隔热装备，包含上述复合隔热材料或隔热件。因此，包含该复合隔热材料或隔热件的隔热装备，至少与上述复合隔热材料或隔热件具有相同的优势。
下面结合具体实施例、对比例和附图，对本发明作进一步说明。
用于隔热性能测试的装置的示意图如图3所示，包括：温度记录仪301，温控装置302，冷面温度热电偶311，热面温度热电偶312，绝热材料313，加热器314，隔热试样321。测温点分布如图4所示，其中，1、2及3为不同测温点。
利用如图3所示的装置对本发明的复合隔热材料或隔热件进行隔热性能测试。具体测试步骤如下：
将隔热试样(规格为350mm×250mm)固定在加热器上，试样热面具有3个测温点(图4中的1，2和3)，试样冷面的测温点为热面测温点对应的3个测温点，用热电偶连续采集试样的热面及冷面温度，待热面及冷面的温度达到平衡时，读取此时各点的温度。
实施例1
本实施例提供了一种复合隔热材料，以CH4为石墨烯层的气源，在0.015mm铝箔的一表面进行化学气相沉积(沉积温度700℃，沉积时间10min)，得到镀有单层石墨烯层的铝箔(石墨烯层在X/Y轴方向导热系数为1000W/mK，Z轴方向导热系数为5W/mK)，将铝箔镀有单层石墨烯层的一面与1mm二氧化硅气凝胶贴合，制成复合隔热材料。
将该材料进行隔热测试，结果如下：
热面温度测温点1为350℃，测温点2为315℃，测温点3为303℃；冷面测温点1为263℃，测温点2为248℃，测温点3为239℃，冷面各点的最大温度差为24℃。
实施例2
本实施例提供了一种复合隔热材料，以C2H4为石墨烯层的气源，在0.05mm铜箔的一表面进行化学气相沉积(沉积温度500℃，沉积时间15min)，得到镀有三层石墨烯层的铜箔(石墨烯层在X/Y轴方向导热系数为3000W/mK，Z轴方向导热系数为30W/mK)，将铜箔镀有三层石墨烯层的一面与3mm纤维板贴合，制成复合隔热材料。
将该材料进行隔热测试，结果如下：
热面温度测温点1为350℃，测温点2为317℃，测温点3为308℃；冷面测温点1为198℃，测温点2为191℃，测温点3为189℃，冷面各点的最大温度差为9℃。
实施例3
本实施例提供了一种复合隔热材料，以C2H2为石墨烯层的气源，在0.03mm铝层聚酰亚胺薄膜的一表面进行化学气相沉积(沉积温度1000℃，沉积时间30min)，得到镀有十层石墨烯层的铝层聚酰亚胺薄膜(石墨烯层在X/Y轴方向导热系数为6000W/mK，Z轴方向导热系数为40W/mK)，将铝层聚酰亚胺薄膜镀有十层石墨烯层的一面与0.1mm纤维垫贴合，制成复合隔热材料。
将该材料进行隔热测试，结果如下：
热面温度测温点1为250℃，测温点2为232℃，测温点3为221℃；冷面测温点1为211℃，测温点2为199℃，测温点3为192℃，冷面各点的最大温度差为19℃。
实施例4
本实施例提供了一种复合隔热材料，以CH4为石墨烯层的气源，在0.015mm铝箔的一表面进行化学气相沉积(沉积温度700℃，沉积时间10min)，得到镀有单层石墨烯层的铝箔(石墨烯层在X/Y轴方向导热系数为1000W/mK，Z轴方向导热系数为5W/mK)，将铝箔镀有单层石墨烯层的一面与10mm二氧化硅气凝胶贴合，制成复合隔热材料。
将该材料进行隔热测试，结果如下：
热面温度测温点1为350℃，测温点2为317℃，测温点3为304℃；冷面测温点1为76℃，测温点2为75℃，测温点3为75℃，冷面各点的最大温度差为1℃。
实施例5
本实施例提供了一种隔热件，采用与实施例1相同的方法制成复合隔热材料，随后将该复合隔热材料重复层叠，制成厚度为5mm的隔热件。
将该隔热件进行隔热测试，结果如下：
热面测温点1温度为350℃，测温点2为316℃，测温点3为305℃；冷面测温点1温度为105℃，测温点2为103℃，测温点3为102℃，冷面各点的最大温度差为3℃。
实施例6
本实施例提供了一种隔热件，采用与实施例1相同的方法制成复合隔热材料，随后将该复合隔热材料与0.05mm钼箔及1mm纤维纸交替层叠，制成厚度为5mm的隔热件。
将该隔热件进行隔热测试，结果如下：
热面测温点1温度为350℃，测温点2为315℃，测温点3为304℃；冷面测温点1温度为107℃，测温点2为104℃，测温点3为103℃，冷面各点的最大温度差为4℃。
对比例1
本对比例提供了一种隔热材料，将0.015mm铝箔与1mm二氧化硅气凝胶贴合，制成隔热材料。
将该材料进行隔热测试，结果如下：
热面测温点1为350℃，测温点2为316℃，测温点3为304℃；冷面测温点1为275℃，测温点2为258℃，测温点3为245℃，冷面各点的最大温度差为30℃。
对比例2
本对比例提供了一种隔热件，采用与对比例1相同的方法制成隔热材料，随后将该隔热材料重复层叠，制成厚度为5mm的隔热件。
将该隔热件进行隔热测试，结果如下：
热面测温点1为350℃，测温点2为317℃，测温点3为308℃；冷面测温点1为114℃，测温点2为109℃，测温点3为106℃，冷面各点的最大温度差为8℃。
比较上述相关实施例及对比例测得的温度，可以得到以下结论：本发明提供的复合隔热材料及隔热件，与传统隔热材料相比，由于引入了具有各向异性的石墨烯层，使高温区域的热量容易传递至低温区域，隔热材料的温度分布更加均匀，进而提高隔热材料整体的隔热性能及其对热冲击的防护能力。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种复合隔热材料，其特征在于，包括：隔热层和一表面形成有石墨烯层的反射屏；
所述石墨烯层与隔热层贴合。
2.根据权利要求1所述的复合隔热材料，其特征在于，所述石墨烯层通过化学气相沉积法在反射屏的一表面沉积；
优选地，沉积温度为500-1000℃，沉积时间为10-30min。
3.根据权利要求2所述的复合隔热材料，其特征在于，所述石墨烯层的层数为1-10层；
优选地，所述石墨烯层的层数为1-3层。
4.根据权利要求2所述的复合隔热材料，其特征在于，所述石墨烯层的气源包括CH4、C2H4或C2H2中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的复合隔热材料，其特征在于，所述石墨烯层在平面方向导热系数为1000-6000W/mK，在轴向导热系数为5-40W/mK；
优选地，所述石墨烯层在平面方向导热系数为3000-6000W/mK，在轴向导热系数为5-30W/mK。
6.根据权利要求1-5任一项所述的复合隔热材料，其特征在于，所述隔热层的材料包括多孔材料；
优选地，所述多孔材料包括纤维材料或气凝胶；
进一步优选地，所述纤维材料包括纤维纸、纤维毡、纤维垫或纤维板中的任意一种。
7.根据权利要求1-5任一项所述的复合隔热材料，其特征在于，所述反射屏的材料包括金属箔或表面形成有金属层的塑料薄膜；
优选地，所述金属箔包括铝箔、铜箔、金箔、镍箔、钼箔或不锈钢箔中的任意一种；
优选地，所述金属层包括银层或铝层，所述塑料薄膜包括聚酯薄膜或聚酰亚胺薄膜。
8.根据权利要求1-5任一项所述的复合隔热材料，其特征在于，所述隔热层的厚度为0.1-10mm；
和/或，所述反射屏的厚度为0.015-0.05mm。
9.一种隔热件，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的复合隔热材料；
优选地，隔热件采用所述复合隔热材料通过层叠方式制成。
10.包含权利要求1-8任一项所述的复合隔热材料或权利要求9所述的隔热件的隔热装备。
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