非真空条件下柔性多层材料高低温绝热性能实验测量

杨偲婵 承 磊 颜 露 黄永华 吴静怡

(上海交通大学制冷与低温工程研究所 上海 200240)

非真空条件下柔性多层材料高低温绝热性能实验测量

杨偲婵 承 磊 颜 露 黄永华 吴静怡

(上海交通大学制冷与低温工程研究所 上海 200240)

制作了柔性绝热被，设计和搭建了高温、低温环境测试系统，通过测量多层绝热被内外两侧及外侧附近空气的温度变化，衡量不同配置下多个多层绝热被样品的综合绝热性能。考察了厚度、多层配置方式、气密性等对柔性多层材料在常压下的高低温隔热作用和符合-100℃至+135℃高低温环境应用的柔性多层绝热被的最佳厚度及配置方式。

柔性材料 多层绝热 保温 高低温环境 测量

1 引言

真空多层绝热是目前绝热性能最好的方式之一，被称为“超级绝热”。已经成为航天工程和低温工程上广泛应用的绝热方式。如低温液体的储存与运输，尤其像液氢、液氦等低温液体［1］。多层绝热材料往往配合真空条件使用，但对于诸如机械结构变化、运动，发生体积改变的场合，往往无法配以真空条件。例如航天对接机构地面高低温温场模拟环境，随着主动部件运动温场必然发生几何形变。目前国内外的研究多集中于真空多层绝热材料及方式，很少有研究非真空下多层绝热材料的绝热性能。因此，有必要针对多层绝热材料在非真空条件下的性能进行评估。

本文设计了高低温性能测试实验装置，制作了不同厚度、配置方式的多层绝热被，通过实验测量，考察了厚度、多层配置方式、气密性等对柔性多层绝热被在常压大气高低温环境中绝热性能的作用规律，进而优化了最佳厚度及配置方式，使得其符合-100℃—+135℃高低温环境的应用。

2 高低温性能测试实验装置

为了考察多层绝热材料在非真空条件下的综合绝热效果以及寻找最佳的配置方式，按照一定规律设计并制作了5种不同厚度及配比的柔性多层绝热被样品。分别设计和搭建了高温性能测试装置和低温性能测试装置。

2.1 柔性多层绝热被样品制备

柔性多层绝热被由多层反射屏叠合而成，在反射屏之间以不同形式间隔不同种类、不同厚度的间隔物。在本实验中反射体采用双面镀铝涤纶薄膜，厚度为0.003 5 mm，发射率为0.2。间隔物采用P型低温绝热纸或与气凝胶组合，P型低温绝热纸在常温常压下的导热系数为0.056 W/(m·K)，厚度0.06 mm，抗拉强度(纵)大于等于0.06 kN/m，透气量大于等于2 000 L/(m2·s)，气凝胶厚度3 mm，导热系数与温度呈线性关系，常温常压下为0.015 W/(m·K)，随着温度的降低而减小。

多层绝热被试样裁剪尺寸为500 mm×500 mm，如图1a所示。在部分试样中，某两层镀铝涤纶薄膜中采用一层350 mm×350 mm的气凝胶(黑色)取代P型低温绝热纸，如图1b所示。成形样品如图1c所示。

图1 多层绝热被样品Fig.1 Multi-layer thermal insulation quilt sample

根据实际使用情况(主要是柔性要求与绝热性能兼顾)以及先前经验，准备了5种多层绝热被试样进行高低温性能测试实验，其配置方式及规格见表1。

表1 种多层绝热被试样的配置方式及厚度Table 1 Configuration modes and thickness of five flexible multi-layer quilt samples

为了保证各试样具有相同初始条件，增强可比性，试样先在真空烤箱中加热至80℃真空烘烤，取出后迅速用聚酰亚胺胶带将试样四边密封，在对角留下两个微小的通风口，干燥氮气从一个口通入，将试样内剩余空气从另一出口中排挤出后，将这两个小口密封，使试样中充满常压干燥氮气。此过程可大大减少实验过程中水蒸气在样品内部产生的影响，而且利于材料的循环使用。

2.2 低温性能测试实验装置

低温性能测试装置由瓶口直径为300 mm的杜瓦瓶、两个最大功率分别为60 W和70 W的可调电加热器构成。为了测试多层绝热材料试样在一侧环境处于-100℃低温的绝热性能，设计了以液氮为冷源的简单低温系统。在35 L的广口杜瓦瓶中充入液氮至内部总高度的2/3处，投入两个电加热器并使其沉在底部，将制作好的多层绝热材料试样平铺在杜瓦瓶口，用橡皮筋将其箍在杜瓦瓶瓶口。需说明的是，若是加有气凝胶的试样，将气凝胶靠近的一侧作为底面。通过改变电加热器的输入功率，可控制试样底侧的气体环境温度。受热蒸发的气氮必须有排放口，通过在试样下方铺的一片泡沫塑料纸作为引导槽将氮气朝下方导出，防止冷氮气向上流动从而影响试样顶部的温度。这样便能更加准确的反应多层绝热试样一面处于室温中，一面处于-100℃时的保温性能。低温测试装置及测量系统如图2所示。

2.3 高温性能测试实验装置

测试多层绝热材料试样高温绝热性能的实验装置由一个200 W的电加热器、温控仪、玻璃棉、手动升降台和一个不锈钢框架组成，如图3所示。试样置于不锈钢框架的顶部，同低温实验一样，对于加有气凝胶的试样，将气凝胶靠近的一侧作为底面。在框架外部罩一层双面镀铝涤纶薄膜减少散热。将一个连接着温控仪的电加热器至于试样下方，电加热器与手动升降台之间放着一块7 cm厚的玻璃棉防止电加热器高温时损害升降台。通过手动升降台来调节试样底面与电加热器之间的距离，间接对试样底部温度进行控制。将试样底部温度升至135℃并控制使其稳定在135±5℃的范围内。

图2 低温性能测试装置系统图和实物图Fig.2 Schematic of low temperatureexperimental system

图3 高温性能测试装置系统图和实物图Fig.3 Schematic of high temperatureexperimental system

利用上述高、低温性能测试装置可在被测样品的一侧形成-100℃—+135℃之间任意可控温的高低温环境，测量3个小时内被测样品的另一侧表面温度和周围的空气温度，通过分析这些温度的变化规律以及观察样品外表面在低温实验和高温实验中是否有结露结霜、发黄变形等现象来评估综合性能。温度测点布置情况如下:4个测量精度为±0.1℃的薄膜式铂电阻温度计分别贴于试样顶部中心，试样顶部边缘，试样顶部空气中和试样底部中心。通过Keithley2700将这些数据传输到电脑中，编写Lab-VIEW程序对这些温度进行采集、波形图表显示并进行数据保存以供后期处理分析。

3 常压下多层绝热被绝热性能分析

实验测试了5种多层绝热被样品在低温-100℃和高温135℃下3个小时内的保温效果，实验过程中室温都保持在20℃左右，大气相对湿度维持在50%上下。

3.1 多层绝热被样品低温实验结果

在上述环境条件下，当试样顶部表面中心温度达到9℃左右时，该处出现结露现象。此时测得表1中30+30(#1)，40+40(#2)，40+40+1(#3)，50+50(#4)，50+50+2(#5)五种试样底部中心的温度分别为-45.3、-75.7、-90.7、-65.4、-90.1 ℃。3个小时后，5种试样顶部表面中心温度分别稳定在-0.3、4.5、9.2、5.3、8.9 ℃左右。30+30(#1)试样表面有结霜现象，其它4种试样表面均覆盖着一层薄露。图4为5种多层绝热材料低温实验的降温曲线。可以看出，5组实验中试样顶部空气温度都稳定在18℃左右。

由于试样被箍在杜瓦瓶口，试样底面与杜瓦瓶形成一个内部冷环境空间，试样底部中心与氮气的对流换热比边缘更加充分，且加上边缘材料的导热，所以会在试样中心与边缘形成一个温度递增的梯度。图4也验证了试样顶部中心温度普遍低于试样顶部边缘温度。

3.2 多层绝热被样品高温实验结果

图5给出了与低温实验相同的被测样品的高温实验结果。由于采用开关式温控仪控制电加热器以及存在热惯性的原因，试样底部中心温度在135±5℃间振荡。与低温实验相对应，高温实验中试样顶部中心温度普遍高于边缘温度。在试样底部温度保持平均135℃ 3个小时后，测得表1中30+30(#1)，40+40(#2)，40+40+1(#3)，50+50(#4)，50+50+2(#5)5组试样顶部中心温度分别稳定在37.7、29.8、28.0、29.9、29.1 ℃左右。此过程中，试样顶部空气温度始终维持在20℃左右。

在高温工况与低温工况中，环境温度与试样底部温差皆稳定在120℃左右。但是在高温工况中，试样表面与空气的平均温差比低温工况小了30%，这是因为在高温实验中，试样表面没有结露结霜，试样表面与周围空气的对流换热更加充分。

3.3 不同配比试样性能比较

图4 各试样低温实验温度曲线Fig.4 Temperature curves of each sample during cooling down process

图5 各试样高温实验温度曲线Fig.5 Temperature curves of each sample during heating up process

为了确定符合-100℃—+135℃高低温环境应用的柔性多层绝热被的最佳厚度及配置方式。将表1中5种配置下试样材料顶部中心点测温数据分别按低温工况和高温工况集中在同一坐标下进行比较，如图6和图7所示。

图6 低温工况各试样顶部中心温度对比Fig.6 Top center temperature contrast of each sample during cooling down process

图7 高温工况各试样顶部中心温度比较Fig.7 Top center temperature contrast of each sample during heating up process

从图6可以看出，在内部容腔处于低温-100℃下，保温40分钟后，各试样顶部中心温度基本上趋于稳定。其中，30+30(#1)试样保温效果较差，试样顶面温度降至0℃以下，表面出现结霜现象。增加10层双面镀铝涤纶薄膜和10层低温绝热纸至40+40层后，试样的保温效果明显提升，温度稳定在5℃左右，没有结霜现象。进一步增加双面镀铝涤纶薄膜和低温绝热纸变成50+50层后保温效果并没有明显提升，温度仍稳定在5℃以上。在本应用条件下，根据基本的传热计算，30+30(#1)试样增加10层反射屏后起主导作用的辐射传热量变为原来的约3/4，而气体导热路径又有增长，所以保温性能明显提升。再增加10层变成50层后，相比40层，辐射传热量又减少到约4/5，但是由于反射屏和隔热纸层数变多，材料本身的容重增加，堆积效应导致底部的材料被压实，接触热阻减小，固体材料导热能力大大增加，漏热严重。虽然对减小辐射导热是有利的，但两方面共同作用后，整体效果没有起到改善作用。总体来看，增加层数可以减少辐射传热，但会增加固体导热，所以层数并不是越多越好，而是存在一个最优值。同时考虑到材料的柔韧性，也需要控制材料的厚度。

在5组试样中，保温效果最好的为40+40+1(#3)和50+50+2(#5)试样，温度皆稳定在8℃以上，试样表面只有一层薄露。相比40+40(#2)试样可以看出来导热系数较低的气凝胶对多层材料的保温效果有明显改善。而且在低温实验中，由于试样内气体是密闭的，随着温度降低，气体收缩后层与层之间的接触热阻会减小，所以加入一层气凝胶后绝热效果明显提升。进一步分析发现，50+50+2(#5)试样的保温效果并没有优于40+40+1(#3)，这也是因为层数增多，容重增加，底部材料被压实接触热阻减小了的原因，而且两层3 mm的气凝胶也大大降低了多层绝热被的柔韧性。所以总体看来，40+40+1(#3)试样是低温工况的最优配置。

从图7可以看出，在高温135℃下保温40分钟后，各试样顶部中心温度基本上趋于稳定。与低温实验结论相同，30+30(#1)的试样保温效果较差，试样顶面温度升至38℃。其它4种试样保温效果差别并不明显，温度都维持在30℃以下。40+40+1(#3)略优于其它3种试样，温度稳定在28℃左右。

同低温实验相比，气凝胶在高温实验中的作用并不明显。因为在高温实验中，试样内密闭气体受热膨胀，层与层之间间隙增大，固体导热会减小，所以气凝胶的效果就不明显了。此外，文献中关于多层绝热材料的研究发现，在绝热材料的高温段，辐射热流占了总热流的绝大部分，而在温度比较低的一侧，相邻防辐射屏之间的固体导热所占的比例明显增大［2］。在高低温两组实验中，试样的放置方式都使气凝胶靠近底部一侧，在低温实验中，气凝胶处于低温段，大大减少了固体导热，所以试样的保温效果得到明显提升。而在高温实验中，气凝胶则处于高温段，辐射热流为主要热流，所以气凝胶没有起到很大作用。若在高温实验中改变含气凝胶试样的放置方式，40+40+1(#3)试样的优势有望更加明显。基于以上两方面的原因，高温工况的最佳配置也为40+40+1(#3)。

4 结论

分别制作了 30+30(#1)、40+40(#2)、40+40+1(#3)、50+50(#4)、50+50+2(#5)5 种应用于常压下的多层绝热被试样，设计和搭建了高温、低温环境模拟控制系统。通过测量多层绝热被试样内外两侧及外侧附近空气的温度，衡量各试样的综合绝热性能。通过对实验数据的分析比较，无论是低温还是高温工况，40+40+1(#3)和50+50+2(#5)试样的保温性能都为最优。但后者不仅多增加了一层柔韧性较差的气凝胶，使得多层绝热被整体上柔韧性大大降低，而且材料用量，重量也相应增加不少。综合考虑保温性能和柔韧性能，40+40+1(#3)为常压下柔性绝热被的最佳配置，可实现-100℃不结霜、+135℃不变形不烫手，满足-100℃—+135℃高低温工况的柔性绝热保温要求。需要指出的是，本实验中样品是水平布置的，外表面不利于空气对流散热。若将样品垂直布置，试样外表面附近易形成上下自然对流，气体流动加剧，更有利于抑制或清除试样表面的结露现象。

1 孙培杰，吴静怡，张鹏，等.气体传热对多层绝热性能影响的试验研究［J］. 低温与超导，2008，36(11):6-12，20.

2 朱浩唯，黄永华，许奕辉，等.变密度多层绝热的理论分析［J］.低温工程，2011(6):42-46.

3 程岚，陈金静，于伟东.层间真空的多层柔性绝热材料研究现状［J］. 山东纺织科技，2007，(6):53-56.

4 付锡理.真空多层绝热理论研究和传热计算［J］.低温工程，1989，48(2):1-11.

5 陈国邦，张鹏.低温绝热与传热技术［M］.北京:科学出版社，2004.

6 朱浩唯，黄永华，李骏，等.真空多层绝热性能测试装置及初步实验验证［J］. 低温工程，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

国家自然科学基金(51176112)、上海航天基金(HTJ10-13)资助。

杨偲婵，女，24岁，硕士研究生。