絕熱高分子材料

名稱：絕熱高分子材料;隔熱高分子材料(heat insulating polymer materials);adiabatic polymer materials

又稱隔熱高分子材料(heat insulating polymer materials)。雖然多數(shù)高分子材料都具有一定絕熱性能，但是為了提高其性能，作為絕熱材料使用的多數(shù)高分子材料是做成多孔性的。較常見的絕熱高分子材料包括：(1)高發(fā)泡聚丙烯，使用溫度小于120℃，多用于一般輸熱管道的隔熱材料；(2)發(fā)泡聚苯乙烯，使用溫度小于100℃，多用于普通建筑隔熱和保溫杯，以及冷庫隔熱；(3)聚氨酯泡沫塑料，分為硬質(zhì)和軟質(zhì)兩種，絕熱性能優(yōu)異，多用于冷庫、球罐、輸熱管道等場合；(4)聚異氰脲泡沫塑擱，耐熱性好，可以在150℃下連續(xù)使用，耐火焰性能優(yōu)異，25mm厚的板材可以耐受丙烷火焰達(dá)30min。

絕熱壓縮與絕熱膨脹通常由氣體壓強(qiáng)的變化引起。

絕熱壓縮發(fā)生在氣壓上升時(shí)，這時(shí)氣體溫度也會(huì)上升。例如，給自行車打氣時(shí)，可以感覺到氣筒溫度上升，這正是因?yàn)闅怏w壓強(qiáng)上升的足夠快到可視為絕熱過程的緣故，熱量沒有逃逸，因而溫度上升。

柴油機(jī)在壓縮沖程時(shí)正是靠絕熱壓縮原理來給燃燒室內(nèi)的混合氣體點(diǎn)火的。

絕熱膨脹發(fā)生在氣壓下降時(shí)，這時(shí)氣體溫度也會(huì)下降。例如，給輪胎放氣時(shí)，可以明顯感覺到放出的氣體比較涼，這正是因?yàn)闅怏w壓強(qiáng)下降的足夠快到可視為絕熱過程的緣故，氣體內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，溫度下降。

這些溫度的變化量可以用理想氣體狀態(tài)方程精確計(jì)算。

絕熱過程是系統(tǒng)在和外界無熱量交換的條件下進(jìn)行的過程。實(shí)現(xiàn)絕熱過程有兩種情況：

①用絕熱材料制成絕熱壁，把系統(tǒng)與外界隔開，就可以近似地實(shí)現(xiàn)這一過程。

②使過程快速進(jìn)行，系統(tǒng)來不及與外界進(jìn)行顯著的熱量交換。例如：內(nèi)燃機(jī)中熱氣體的突然膨脹，

柴油機(jī)或壓氣機(jī)中空氣的壓縮、聲波中氣體的壓縮（稠密）和膨脹（稀疏）等都可近似視為絕熱過程。

作為典型例子，下面介紹理想氣體準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過程和理想氣體自由膨脹過程（非準(zhǔn)靜態(tài)過程）。

空氣的冷熱程度實(shí)質(zhì)上是空氣內(nèi)能的大小的表現(xiàn)?？諝鈨?nèi)能變化既可以是空氣與外界的熱量交換引起（通過分子熱傳導(dǎo)、輻射、對流、湍流、潛熱轉(zhuǎn)移等方式進(jìn)行的非絕熱變化），也可由外界的壓力變化對空氣做功，導(dǎo)致空氣膨脹或壓縮而引起（絕熱變化）。

一、空氣的絕熱變化

空氣塊在鉛直運(yùn)動(dòng)中與外界不發(fā)生熱量交換，也就是無熱量輸入，也無熱量輸出，但由于體積的膨脹和收縮而發(fā)生的絕熱冷卻和絕熱增溫的變化，稱為空氣的絕熱變化。

空氣塊在做絕熱上升和下降過程中，溫度變化的輻度因空氣塊水汽含量不同而異。

1、干絕熱直減率

氣塊絕熱升降單位距離（100m）時(shí)的溫度變化值，稱絕熱垂直遞減率。對于干空氣和未飽和的濕空氣來說，則稱干絕熱直減率，以rd表示?！?0.98℃/100m

在實(shí)際工作中rd=1℃/100m，在干絕熱過程中，空氣塊每上升100m，溫度約下降1℃。 rd 與r（氣溫直減率）的含義是不同的。rd 是干空氣在絕熱升降過程中氣塊本身的變溫率，它近似于常數(shù)；而r是表示周圍大氣的溫度隨高度的分布情況。

2、濕絕熱直減率：飽和濕空氣絕熱升降單位距離（100m）時(shí)的溫度變化值，稱為濕絕熱直減率，以rm表示。rm不是常數(shù)，而是氣壓和溫度的函數(shù)，一般要小于rd，其平均值為0.5℃/100。

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的絕熱層大致分為三類。第一類是柔性絕熱層，通常以高分子彈性體材料為基體，用于殼體黏結(jié)式裝藥結(jié)構(gòu)。第二類是硬性絕熱層，通常以高分子樹脂材料為基體，用于自由裝填式裝藥結(jié)構(gòu)以及與火焰接觸的部位。第三類是近期發(fā)展的由柔性和硬性兩類組合的多層式絕熱層，它兼有柔性絕熱層和硬性絕熱層的優(yōu)點(diǎn)，適用于任何裝藥結(jié)構(gòu)。

1．柔性絕熱層

此類絕熱層按成型方法不同，又可分為軟片粘貼和厚漿涂敷兩種類型。

粘貼式柔性絕熱層是用高分子橡膠材料作基體，與粉末狀耐燒蝕填料以及多種添加劑按預(yù)定配比，經(jīng)輾片機(jī)混合和多次輾壓，先制成半固化狀態(tài)的軟片，再經(jīng)模壓制成用于人工脫粘層的預(yù)制件，并將軟片直接裁剪成圓簡體尺寸，兩端搭接后，將預(yù)制件和圓簡體分別黏結(jié)到殼體內(nèi)壁，也可將頭端部預(yù)制件與軟片預(yù)先搭接成整體圓筒，置入涂有黏結(jié)劑的殼體中，然后用氣囊充氣加壓，使其緊貼于殼體內(nèi)壁，并在高溫、加壓下固化。粘貼式絕熱層必須保證界面的空氣充分除盡，且不含揮發(fā)性溶劑，以確保與殼體的黏結(jié)質(zhì)量。這類絕熱層早期使用的主要以丁腈丁苯和酚醛改性丁腈橡膠作為基體材料，填料為石棉、二氧化硅和硼酸。它們的優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度適中，延伸率很高，隔熱性能較好，密度相對較低。其主要缺點(diǎn)是高溫炭化后失去機(jī)械強(qiáng)度，不能形成牢固的炭化層，因面抗沖刷性差，燒蝕率偏高。后期發(fā)展的元乙丙橡膠與氧化硅組成的絕熱層，在密度.抗拉強(qiáng)度、延伸率，隔熱性能低溫性能和抗老化性能等方面均有較大改進(jìn)但其耐燒蝕性能仍遜于硬性絕熱層。三元乙內(nèi)絕熱層與金屬殼體的黏結(jié)性差，需采用特味的黏結(jié)劑和相應(yīng)的黏結(jié)工藝涂數(shù)式柔性絕熱層是早期型使用的另類以高分子彈性體材料為基體

的采性絕熱層。它與粘貼式絕熱層的義湖主要是采用液態(tài)預(yù)聚物作基體材料，加人填料和其他組分經(jīng)混合后成為稿厚的漿料、因面可用噴涂。制涂、涂刷、離心等工藝方法直接在殼體內(nèi)壁涂敷，經(jīng)加熱固化后成型，不需要預(yù)先制成軟片或預(yù)制件，且整個(gè)絕熱層沒有搭接縫。這類絕熱層的基體材料通常采用與推進(jìn)劑配方相同的預(yù)聚物，因而與藥柱界面具有良好的黏結(jié)性。涂敷式柔性絕熱層的缺點(diǎn)是抗沖刷能力差，燒蝕率較高，漿料中含有揮發(fā)性液體，容易在涂敷和固化過程中使絕熱層產(chǎn)生氣孔，因而工藝條件必須嚴(yán)格控制。

2．硬性絕熱層

此類絕熱層采用耐高溫的熱固性樹脂為基體材料，最常用的是酚醛和改性酚醛，近期發(fā)展的有聚酰亞胺、聚苯并咪唑、聚苯并噻唑和聚苯撐等，填料則采用耐高溫的纖維，如石棉纖維、高硅氧纖維、酚醛纖維、碳纖維和凱夫拉纖維等，增強(qiáng)纖維可以制成短纖維，也可編織成帶、紗、布或氈，絕熱層的成型方法有層壓、模壓、貼片和多向編織預(yù)浸纏繞等，硬性絕熱層的特點(diǎn)是在高溫、高速燃?xì)庾饔孟履苄纬衫喂痰奶炕瘜?，抗沖刷性和耐燒蝕性好，且有很高的抗壓強(qiáng)度和模量。它特別適用于受氣流沖刷嚴(yán)重的端面燃燒和自由裝填式固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的貼壁絕熱層，其缺點(diǎn)是密度大、隔熱性能較差、延伸率太低。對殼體黏結(jié)式裝藥結(jié)構(gòu)也不能起到應(yīng)力緩沖作用，補(bǔ)救辦法是在樹脂基體中摻入部分彈性體預(yù)聚物或在硬性絕熱層內(nèi)表面增加彈性體襯層。

3．多層組合式絕熱層

此類絕熱層可按使用要求制成不同結(jié)構(gòu)。如在兩層三元乙丙柔性絕熱層之間夾一層硬性的酚醛纖維布，經(jīng)熱壓固化后制成組合絕熱層。其中，三元乙丙絕熱層起到良好的隔熱作用和阻止氣體滲透，而酚醛纖維布則有很好的耐燒蝕性和抗沖刷性。整個(gè)組合絕熱層又有較高的延伸率和抗拉強(qiáng)度，且燃燒產(chǎn)物無煙無毒。這種組合絕熱層的抗燒蝕時(shí)間比三元乙丙絕熱層長1倍以上，而殼體外壁溫度基本沒有升高，又如用三種不同材料制成三層組合式絕熱層，內(nèi)層為樹脂基體與增強(qiáng)纖維組成的抗燒蝕層，中間層和外層則用彈性體預(yù)聚物和無機(jī)填料組成的多孔狀結(jié)構(gòu)。中間層起隔熱作用，外層起應(yīng)力緩沖作用。顯然，這種組合式絕熱層具有良好的綜合性能。