舱室常用绝缘材料结构与导热系数

14.2.1　舱室常用绝缘材料结构与导热系数

对船舶来讲，热的三种传递方式中，热传导是最重要的热传递方式，它主要发生在固体材料如舰船壳体的围板、甲板、舱室壁板等等的热传递过程中。热传导过程取决于固体材料分子、原子和电子之间的相互碰撞。因此，材料中的分子、原子和电子结构及其流动碰撞将决定它们的热传导效应及其热传递能力，而不同固体材料所具有的分子、原子和电子结构是截然不同的。因此，它们的热导效应必然存在差异，甚至不同材料对热的传递能力大不相同。

为了判别不同材料的热导效应和热传递能力，国际上将材料的热传导性能用导热系数表示。导热系数定义为在一定温度，单位时间通过该材料的单位横截面的热量称之为导热系数：在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1K，在1h内，通过1m²截面积所传递的热量W，单位是W/（m·K）。如定义所述，导热系数是在一定温度条件下测定的材料物理参数，同一种材料在不同的测试温度下会导致导热系数的变化，但是变化幅度是随材料的不同而不同。除非有其他温度标注，通常给出的材料的导热系数都是指材料在室温25℃（298K）条件下测定的导热系数。

有了导热系数就能容易确定哪些材料属于热的良导体，哪些材料属于热的不良导体和热的绝缘体或绝缘材料。表14.2－2中罗列的是一些常用材料的导热系数，1～7为金属材料、8～13为有机高分子材料、14～15为无机材料。

表14.2－2　常用材料及其常温导热系数

从表14.2－2数据中不难看出金属材料都有很高的导热系数，都在15W/（m·K）以上。其次是无机材料，导热系数最低的是有机高分子材料，它们的导热系数基本在0.1～0.3之间，相当于金属导热系数的百分之一至千分之一。也就是说金属的热传递速率高出有机高分子材料的百倍甚至千倍以上。从热传递机理可以知道，金属之所以有如此高的导热系数和传热快的特点，是因为在金属中存在着金属键，金属键中金属的自由电子不专属于某个金属离子而是为整个金属晶体所共有。大量的自由电子在作高速穿梭运动时，与金属离子不断发生碰撞，在碰撞过程中，把热能迅速从金属材料的高温区传到低温区，从而使整块金属达到相同的温度。而在有机高分子材料中不存在金属键，以碳－碳共价键连接的高分子链段中基本不存在自由流动的电子流和离子，因此，有机高分子材料的热导效应比较差，导热系数较低，是热的不良导体。

材料的导热系数越小，材料的热导效应就越差，热传递速率也就越慢，越有利于用作舱室的绝缘材料。但是表14.2－2中的有机高分子材料的导热系数尽管较低，但远未达到舱室绝缘材料的相关性能要求，无法直接用作船舶舱室的绝缘材料。

常用船舶绝缘材料的导热系数一般在0.05W/（m·K）以下，较好的在0.02～0.035W/（m·K）之间，在0.02W/（m·K）以下的绝缘材料属于绝缘性能特别突出的绝缘材料。但是，仅从导热系数来评判船舶舱室绝缘材料是否优劣是不够的、片面的和不完整的，还应该考虑该绝热保温材料的其他性能指标，如密度是否小、重量是否轻、是否憎水、是否耐燃或不燃、是否耐高温或低温、是否耐腐蚀、是否有毒和是否环保等一系列性能指标。只有通过完整的综合性能指标的考核与比较，才能最终确定选用的船舶舱室绝缘材料。船舶常用绝缘材料的部分性能指标见表14.2－3。

表14.2－3　船舶常用绝缘材料的密度、导热系数和使用温度

将表14.2－2与表14.2－3的数据进行比较，不难发现同样的材料由于结构形式的改变造成密度和导热系数的大幅度下降（见表14.2－4）。

表14.2－4　不同结构形式的同种材料的密度和导热系数比较

从表14.2－4的七组材料的密度和导热系数的数据对比中发现，同种材料制成棉制品或泡沫后，含有大量空隙和空气，不仅使密度下降了数倍，而且导热系数也随之大幅度下降。这正应了俗话说的“千层单不如一层棉”。由于泡沫塑料和棉制品中存在大量微孔和间隙，而这些微孔和间隙中充塞了大量的空气，空气的密度仅为1.29kg/m³，导热系数仅为0.026 7W/（m·K），是很好的绝缘体。因此，大大阻碍了热在棉与泡沫中的传递和穿透，起到很好的保温作用。此外，泡沫的气孔很小，且大多是闭孔结构，热对流和热辐射在这些小孔中很难进行。如纳米孔防火分隔材料的孔径≤50nm，而0℃时空气分子的平均自由程为60nm，空气在纳米孔中挪不开脚步，热对流就无法进行。再则硅质纳米孔材料中由偌多微孔形成的无数多个界面，使红外线经无数次的反射、散射和吸收后，热辐射传递几乎为零。因此，工业上都习惯采用棉或泡沫结构形式的绝缘材料。

这里还应指出，绝缘材料的导热系数、保温性能与棉制品、泡沫的结构、密度、含水率、温度等众多因素有关。一般而言，密度低、泡孔小、含水率低的绝缘材料的导热系数较小。另外，绝缘材料在较低温度时的导热系数也较小。由于水的热容量大，是很好的吸热和传热介质。结构上亲水的棉或泡沫容易吸潮，这些材料一旦受潮，导热系数迅速升高，保温性能随之下降。因此，是否憎水也是绝缘材料必须考虑的性能指标。