Газоблок характеристики теплопроводность: Сравнительная характеристика теплопроводности газобетона. Выбор толщины блока.

Сравнительная характеристика теплопроводности газобетона. Выбор толщины блока.

Технические характеристики газобетонных блоков

Отопительный сезон зачастую сопряжён с потерей тепла, которое крадут «холодные» стены не из газобетона UDK :-). А потому целесообразно строить или утеплять частный коттедж с использованием пористого материала. Газобетон различают по его плотности, которая измеряется в кг/м³. В зависимости от марки блока, его используют в различных целях: теплоизоляционных – в роли утеплителя, для постройки не высоких зданий, для строительства несущих конструкций высотных зданий.

Маркировка D400 обозначает, что в 1м³ пористого материала находится 400 кг. твёрдых частиц, занимающих 1/3 всей массы блока. Воздушные массы в ячейках являются естественной теплоизоляцией, не позволяющей внутреннему теплу из помещения проникать сквозь них. А потому, чем менее плотный монолит, тем лучше он сохранит тепло. В отличие от других стройматериалов, газобетонные блоки обладают более низкими показаниями теплопроводности. В этом можно убедиться взглянув на данную сравнительную таблицу и наглядные графики.

с Материал	Теплопроводность, Вт/м °C
	Показатели плотности, кг/м3
	D400	D500
Газобетон при уровне влажности 0%	0,096	0,112
5%	0,117	0,147
Пенобетон при уровне влажности 0%	0,102	0,131
5%	0,131	0,161
Древесина, при уровне влажности 0%	0,116	0,146
5%	0,181	0,187

Структура пеноблоков похожа на газобетон, но при этом в пеноблоках замкнутые ячейки и высокие показатели плотности. Геометрия пеноблоков не точна и не совершенна, а потому в роли теплоизоляционного материала намного выгоднее использовать именно газобетон.

Древесина, хоть и является экологически чистым материалом, но когда речь заходит о её качественных теплоизоляционных свойствах, то она значительно проигрывает газобетону, так как не способна в должной мере сохранить тепло.

Однако отметим, что ячеистый блок – дышащий, огнеупорный материал, который отлично справляется со всеми поставленными перед ним задачами. Используя его в строительстве, важно сделать ограждение фундамента и цоколя здания от влаги. Потому как пористая структура может её тянуть в себя. С этой целью применяется рубероид и битум.

Характеристики теплопроводности кирпича и газобетонных блоков

Кирпич – классический вариант стройматериала, используемый для строительства дачных домиков и частных коттеджей. Он морозоустойчив, долговечен и обладает высокой плотностью. Но в отличие от газобетонных блоков, кирпичная стена возводится многослойной. Для того, чтобы дополнительно проложить утепляющие материалы между наружными и внутренними кладками.

 

Материал	Показатели средней теплопроводности, Вт/м ° C
Газоблок	0,08-0,14
Керамические кирпичи	0,36-0,42
Красные глиняные кирпичи	0,57
Силикатные кирпичи	0,71

Выбор толщины блока

Толщина стен влияет на их теплоизоляционные свойства. Чем они толще, тем дольше будет сохранятся комфортная атмосфера внутри жилища.В процессе проектирования ширины ограждений, необходимо учитывать «мостики холода» (толщина цемента для укладки). Блоки монтируют при помощи пазового замка и клеевого раствора. Данный способ гарантирует сохранность тепла, сводя его потери до минимальных значений. Чтобы не платить больше, важно знать некоторые показатели, которыми обладают сборные конструкции стандартной толщины.

Материал	Показатели толщины наружных стен, см
	12 см	20 см	24 см	30 см	40 см
	Показатели теплопроводности, Вт/м ° C
Белые кирпичи	7,51	4,52	3,75	3,12	2,25
Красные кирпичи	6,75	4,05	3,37	2,71	2,02
Газобетонный блок D400	0,82	0,51	0,41	0,32	0,25

Наилучшими качественными характеристиками на сегодняшний день обладают газобетон ЮДК которые производятся в городе Днепр (Украина). Шесть лет назад (в 2012 г.) завод UDK создал газобетон D400 с показателем прочности – 35 кг/см2. Данные свойства стройматериала позволили значительно сократить глубину наружных стен, что в свою очередь повлияло на себестоимость стройки.

За счёт того, что геометрия блоков ЮДК чёткая и точная, их можно класть на ультратонкий слой клея UDK TBM, благодаря чему в итоге не образуется «мостиков холода». К тому же, за счёт низкого коэффициента теплопотери, наружным стенам не потребуется дополнительное утепление. А высокий уровень прочности газобетона позволяет возводить здания до 5 этажей. При этом не используя монолитный каркас. Срок службы газоблока ЮДК около 100 лет.

Выбор толщины стены из газобетонных блоков ЮДК

Стена	Размер блока
Наружная стена:	D400, D500; В2,5-В2,0; 25-35 кг/см2; 400-500 мм.
Несущая
Не несущая
Жилой дом до 4 этажей, где проживают круглый год
Перегородка:	D400, D500; В2,5-В2,0; 25-35 кг/см2; 200-500 мм.
Несущая при условии устройства монолитного пояса
Перегородка:	D500; В2,5; 35 кг/см2; 100-150 мм.
Не несущая

Выбор толщины стен необходимо делать с учётом вида постройки. Для постройки жилого дома у застройщиков пользуется популярностью толщина стены в один слой – 300-400 мм (иногда 500 мм). Ведь однослойные стены – всегда на порядок дешевле, нежели «сэндвичи». Классический стандартный газоблок имеет такие параметры: плотность – D300, D400; прочность В2,0,В2,5. Такой блок подходит для строительства одно- и двухэтажных зданий.

Для загородного дачного домика, куда хозяин наведывается лишь в тёплое время года, а зимой не требуется поддержание в помещении тепла, блока глубиной в 200 мм более чем достаточно. Такие стены прогреются очень быстро, а значит потребуется меньше энергоресурсов.

Для хозяйственных построек, а также гаража, толщину стен необходимо выбирать с учётом частоты нахождения в них. Там должно быть уютно и комфортно. Чтобы влажность и температурный режим были в норме для нужд хозяина помещения, в любое время года.

Определится с толщиной стены из газобетонных блоков, инвестор может исходя из нескольких нюансов. Во-первых, это стоимость газобетона. А она очень выгодная с учётом всех требований. Во-вторых, это типовой проект. Обычно в него закладывают средний показатель толщины стены с указанием температурной зоны и требования к коэффициенту сопротивления теплопередачи, как указано на рисунке ниже.

Для южной части Украины стена может быть более тонкой, нежели в северном регионе страны. Чем тоньше стена – тем большая жилая площадь выйдет в итоге. Естественно, толстые стены крадут жилые метры. Но, при злоупотреблении правилами грамотной стройки, можно существенно потерять на отоплении в зимний период и охлаждении в летний сезон. Ведь сквозь «холодные» стены тепло будет утекать с большой скоростью, а летом наоборот станет невыносимо жарко. К тому же, суммы за отопление и охлаждение помещения дополнительными средствами, увеличатся в разы.

Решение строить здание с толстыми стенами, это опять же не выгодно, ведь необходимо будет потратиться на дополнительный фундамент. Альтернативный и разумный выбор – стены из газобетона. Удовлетворяющие как потребителя, так и застройщика тем, что не дорого стоят и надёжно сохраняют тепло, при этом не мешая помещению «дышать».

На сегодняшний день газобетон ЮДК является оптимальным выбором стройматериала. Долговечный (70-100 лет), надёжный, обладающий низкой теплопроводностью и безупречной геометрией блоков – он находится на пике своей популярности. Благодаря его не высокому объёмному весу идёт меньшая нагрузка на фундамент. Лучше ложатся отделочные материалы и не требуется больших трудозатрат. А разнообразный выбор газобетонных блоков, отличающихся по толщине, прочности и назначению – способен удовлетворить требования большинства застройщиков.

расчет стены, сравнение с другими материалами, характеристики

В течение многих десятилетий и даже веков в строительстве отдавалось предпочтение кирпичу, как самому износоустойчивому, прочному и долговечному кладочному материалу. Никто и не оспаривает его достоинств, но при строительстве малоэтажного жилья совсем другие приоритеты. Вряд ли кому-то нужна «крепость» в прямом смысле слова. Главное, чтобы ограждающие конструкции как можно лучше сопротивлялись теплопередаче, с чем успешно справляются ячеистые бетоны. Коэффициент теплопроводности газобетона позволяет строить теплые комфортные частные дома без дополнительного утепления. При этом стены получаются достаточно прочные и долговечные со сроком эксплуатации от 100 лет и выше, срок эксплуатации до первого ремонта от 50 лет.

Активное использование газоблоков в отечественном строительстве началось с середины 20 века, после того, как в Европе смогли создать бетонные панели с плотностью, сниженной до 300 кг/м³. При этом в нашей стране была наработана прогрессивная научно-техническая база по производству и применению газобетона. С началом перестройки была даже принята программа по созданию систем эффективного строительства из автоклавных ячеистых бетонов, и увеличения объёмов их производства путём строительства новых заводов-изготовителей.

В то время выпускали блоки только плотностью 600-700 кг/м³, но девиз программы гласил, что при 7-кратном увеличении количества выпускаемой продукции нужно стремиться к 2-х кратному снижению плотности, что автоматически влекло и снижение теплопроводности газоблока.

С развалом Советского Союза и закрытия многих производственных площадок весь опыт наших инженеров остался на бумаге. Уже в 2000х годах начинают открываться на территории России коммерческие производства с патентами и оборудованием западных компаний. Их число продолжает расти, а это значит, что продукция пользуется спросом и качество построенного из газобетона жилья оказалось на высоте. Именно поэтому теплопроводность и другие характеристики газоблока так интересуют потенциальных застройщиков.

Технология его производства несколько схожа с получением силикатного кирпича: компоненты те же – только к цементу, песку и извести добавляются ещё ингредиенты, провоцирующие процесс порообразования. Это алюминиевая пыль или паста, а также сульфат и гидроксид натрия, взаимодействие которых запускает химическую реакцию с высвобождающимся кислородом.

При этом блоки не подвергаются прессованию, так как требуется получить не максимально плотные, а наоборот, воздухонаполненные изделия. Созревание бетона происходит в автоклавах – камерах, где он в течение 12 часов обрабатывается подаваемым под давлением высокотемпературным паром. Это обеспечивает ускоренное твердение камня и более высокую, чем при естественной гидратации прочность.

Мнение эксперта
Виталий Кудряшов

строитель, начинающий автор

На заметку: В процессе автоклавирования в бетоне образуется новый минерал под названием тоберморит (силикат кальция), который встречается в составе камня базальтовых пород и портландцементе. При реакции с водой он принимает участие в связывании цемента, что позволяет получить более высокую прочность.

По этой причине преимущество на стороне автоклавного газобетона, и обсуждая его характеристики, мы по умолчанию будем вести речь именно о нём.

Представляем таблицу с перечнем положительных свойств газобетона и его недостатков:

Достоинства	Недостатки
Низкий коэффициент теплопроводности газоблока. Зависит от марки изделия по плотности, но в среднем составляет 0,14 Вт/м*С, что втрое меньше, чем у керамзитобетона и в 6 раз – чем у полнотелого кирпича.	Применяемость. Характеристики, безусловно являющиеся достоинствами материала, можно рассматривать и как недостатки. В частности, из-за относительно невысокой прочности ограничена применяемость поризованного бетона в многоэтажном строительстве. Здесь их используют только для заполнения пролётов несущих каркасов из железобетона.
Теплоемкость газобетона. Цифра характеризует количество тепла, необходимого, чтобы нагреть материал на 1 градус. При условии влажности, не превышающей 5-6%, теплоемкость газобетона d400 составляет не более 1,10 кДж/кг, в абсолютно сухом состоянии – до 0,84, как и у кирпича.	Повышенная чувствительность к влаге. Наличие открытых пор делает камень гигроскопичным, а это требует принятия мер для защиты стен от воздействия паров и насыщения водой. Этот недостаток легко нивелируется за счёт правильного структурирования стенового пирога.
Сопротивление теплопередаче газобетона d500 (среднее значение). Чем выше цифра, тем лучше слои материала сопротивляются отдаче тепла. Составляет 2,67 м²*С/Вт при толщине стены 300 мм. Для примера, у кирпичной стены в два кирпича эта цифра составляет всего 1,09 м²*С/Вт.	Трещиностойкость. Газобетон – материал довольно хрупкий, и сильно реагирует на перепады температуры и влажности. В результате возникающих напряжений появляются трещины, которые хоть и не ослабляют прочность кладки, но портят её внешний вид. Именно поэтому для ячеистобетонной кладки предусматривают наружное утепление – а не потому, что теплоизоляционные свойства газобетона не позволяют без него обойтись. Примечание: Однако трещины могут появляться и из-за недостаточно жёсткого основания. Поэтому фундаменты для газобетонных домов всегда нужно проектировать в монолите.
Геометрия блоков на самом высоком уровне. Погрешности в параметрах составляют не более 2 мм, что позволяет производить монтаж на тонкий слой клея. При наличии у блоков пазогребневых соединений, вертикальные клеевые швы и вовсе отсутствуют.	Морозостойкость. Чем ниже прочность бетонного камня, тем меньше циклов заморозки и оттайки он выдерживает. Газобетон D600 соответствует классу прочности В2,5, что обеспечивает только 25 циклов. Но это распространяется только на незащищённый от увлажнения материал – а в таких условиях даже и кирпич не всегда служит дольше.
Трудоёмкость и скорость возведения стен. Благодаря малому весу и крупному формату блоков, в процессе кладки не приходится пользоваться грузоподъёмными механизмами. Работа продвигается быстро, 1 м² кладки в час – это в 4 раза быстрее, чем с использованием кирпича.	Ограничения по выбору материалов для утепления и внешней отделки. Чтобы дать пару беспрепятственно проходить через кладку, не конденсируясь в её толще, коэффициент паропроницаемости каждого следующего слоя в направлении от стены к улице должен быть более высоким.
Экологичность. Больше всего поборников экологичности волнует радиоактивность материала, которая в общепринятой норме составляет 370 Бк/кг. Фон газобетона далеко не дотягивает до этой цифры и составляет чуть больше 50 Бк/кг. У того же кирпича в зависимости от вида глины он варьируется в пределах 126-840 Бк/кг.	Необходимость в специальном крепеже. Стены из пористого бетона имеют слабую устойчивость к вырывающим нагрузкам. По этой причине повесить тяжёлый предмет на обычные дюбель-гвозди невозможно. Нужны более дорогие спиральные, распорные или забивные дюбели.
Огнестойкость. Поризованный бетон имеет класс пожарной устойчивости К0 – как не представляющий опасности. Показатель REI (предел огнестойкости) составляет 4 часа при толщине стен более 20 см. Именно столько времени они выдержат воздействие открытого огня без деформации. При этом газобетон не выделяет токсичных веществ.	Слабая адгезия. Очень гладкая поверхность блоков снижает сцепляемость бетона со штукатуркой. Делать насечки бучардой, как в случае с тяжёлым бетоном, здесь нежелательно, проще всего использовать грунтовки с кварцевым наполнителем.
Затраты на фундамент. Достаточно высокие, если учесть, что кладка из ячеистого материала чувствительна к подвижкам основания, и надо обязательно заливать монолит. Но высокое сопротивление теплопередаче газобетона позволяет уменьшать толщину стен – а это реальная экономия на количестве бетона.
Затраты на кладочный материал. Несмотря на то, что клеевая смесь обходится вдвое дороже аналогичного количества обычного ЦПС, за счёт более низкого расхода (в 5-6 раз) получается немалая экономия.
Простота обработки. С газобетонными блоками легко работать, так как их можно пилить и штробировать ручным инструментом. Камню несложно придать нужную форму, что позволяет быстро изготовить доборный элемент и выкладывать стены радиусной формы.
Стоимость. Всё, конечно, относительно. Однако по цене кубометр газобетонных блоков в три раза дешевле кирпича и более чем в 5 раз – пиломатериала.

Перечень недостатков не так велик по сравнению с количеством преимуществ, да и те не столь существенны, чтобы быть помехой для постройки прочного, долговечного, а главное – тёплого жилого дома.

Коэффициент теплопроводности газобетонных блоков, как и любого другого материала, характеризует его возможность проводить тепло. Численно он выражается плотностью теплового потока при определённом температурном градиенте. Способность удерживать тепло зависит от влияния таких факторов, как:

1. степень паропроницаемости;
2. плотность материала;
3. способность усваивать тепло;
4. коэффициент водопоглощения.

Последнее особенно хорошо видно в представленной ниже таблице:

Марка газобетона по плотности	Теплопроводность газоблока в сухом состоянии (Вт/м*С)	Коэффициент теплопроводности газобетона при влажности до 6% (ВТ/м*С)	Теплоемкость газобетона (Вт/м²*С) за 24 часа	Паропроницаемость (мг/м ч Па)
d400	0,09	0,14	3,12	0,23
d500	0,11	0,16	3,12	0,20
d600	0,12	0,18	3,91	0,17
D700	0,14	0,19	3,91	0,16

Как видите, чем более плотная у бетонного камня структура, тем меньше он пропускает пара и больше тепла. Поэтому, выбирая материал для строительства дома, не стоит стремиться покупать блоки с запасом прочности без необходимости.

Теплопроводность газобетонного блока во многом обусловлена структурой материала, который более чем на 80% состоит из заполненных воздухом пор. Воздух является лучшим утеплителем, благодаря его присутствию меняется характеристика бетонного камня. Влажность воздуха тоже оказывает влияние на показатели теплопроводности – они будут тем ниже, чем суше климат.

Мнение эксперта
Виталий Кудряшов

строитель, начинающий автор

Примечание: При стабильно высокой влажности всё преимущество пористого материала может быть сведено к нулю, и его способность пропускать тепло станет такой же, как у кирпича. Поэтому в районах с климатически обусловленной высокой влажностью внешние ограждающие конструкции увеличивают в толщине.

• Очень важно предварительно сделать теплотехнический расчет стены из газобетона – чтобы в итоге проживание в доме не оказалось некомфортным. При этом обязательно учитывают параметры применяемых для кладки блоков, округляя итоги в большую сторону до ближайшего показателя толщины.
• Теплопроводность готовой стены может отличаться от теплопроводности газобетона d400, если, к примеру, блоки смонтировали не на клею, и на растворе. Затвердевшая пескоцементная стяжка имеет коэффициент теплопроводности 0,76 Вт/м*С – и это при расчётном коэффициенте газобетона этой марки 0,12 Вт/м*С!
• Разница очевидна, и не надо быть великим специалистом, чтобы понять, что тепло будет уходить если не через блоки, то через их стыки. Вывод напрашивается сам: чем тоньше слой, тем лучше. А это возможно только при использовании тонкослойных клеёв.

Это же касается и армирующего пояса из тяжёлого бетона. Чтобы он не оказался одним большим мостом холода, монтировать его лучше по несъёмной опалубке. Её роль исполняют газобетонные U-блоки, внутрь которых укладывается арматура и производится уже заливка обычного бетона.

Низкая теплопроводность газобетонных блоков даёт возможность получить экономию не только за счёт уменьшенной толщины стен и ширины фундамента, но и снизить расходы на эксплуатацию дома. Ведь для поддержания комфортной температуры в помещениях будет тратиться гораздо меньше электричества или газа.

Как этого добиться, мы расскажем чуть позже, а пока предлагаем оценить теплопроводность газоблока в сравнении с другими материалами:

Характеристика	Газобетон	Пенобетон	Керамзитобетон	Полистиролбетон	Пустотелый кирпич	Керамоблок	Древесина
Плотность кг/м³	300-600	400-700	850-1800	350-550	1400-1700	400-1000	500
Теплопроводность Вт/м*С	0,08-0,14	0,14-0,22	0,38-0,08	0,1-0,14	0,5	0,18-0,28	0,14

Как видите, теплопроводность газобетона в сравнении с группой популярных теплоэффективных материалов стен соответствует показателю древесины. Из кладочных материалов конкурировать с ним могут только пенобетон и полистиролбетон.

Если теплопроводность газобетона в большинстве случаев обеспечивает комфорт проживания в доме, зачем тогда утеплять стены? Выше уже было сказано, что поризованный материал необходимо защитить от перепадов температур и влажности. Но это лишь один аспект, второй заключается в стремлении снизить расходы на отопление помещений.

Для дачного дома, который в зимнее время практически не эксплуатируется, толщины стен в 200 мм более чем достаточно. Что касается жилья постоянного проживания, то имеет смысл сделать стены более толстыми. Теплопроводность газоблока 30 см будет при аналогичной плотности такой же, но уменьшится количество теплопотерь.

По этой причине, особенно в холодных регионах, для возведения стен берут более толстые блоки. Теплопотери дома из газобетона 375 мм снижаются ещё на треть, и стены получаются гораздо теплее тех нормативов, что применяются в официальном строительстве. При плотности 400 кг/м³ теплопроводность такой кладки составит 0,08 Вт/м*С, а сопротивление передаче тепла установится на уровне 3,26 м²*С/Вт.

Мнение эксперта
Виталий Кудряшов

строитель, начинающий автор

Примечание: Чтобы получить точные цифры, необходимо произвести теплотехнический расчет газобетонной стены, с учётом среднезимних температур, характерных для данной местности. Приобретая типовой, или заказывая индивидуальный проект для будущего дома, заказчик вместе с рабочей документацией получает и такой расчёт.

Однако в частном строительстве многие предпочитают обходиться без проектирования. Для самостоятельного расчёта можно использовать онлайн калькулятор теплопотерь дома из газобетона.

Вот когда газобетонные стены однозначно нуждаются в утеплении:

1. При плотности блоков d500 и выше.
2. При толщине стены менее 30 см.
3. Когда газоблоками производится заполнение пролётов железобетонного каркаса.
4. Когда кладка производится не на клей, а на раствор.
5. При использовании неавтоклавных изделий более низкого качества.

В таком случае, автоматически возникает вопрос: чем утеплять?

В силу ячеистой структуры газобетон называют дышащим материалом, в среднем, его коэффициент паропроницаемости составляет 0,20 мг/м*ч*Па (это в 3,5 раза выше, чем у дерева поперёк волокон).

• Чтобы пар не задерживался в толще бетона и не конденсировался в нём, утеплитель должен иметь ещё больший показатель паропроницаемости. У пенопласта, даже невысокой плотности, этот коэффициент намного ниже – порядка 0,023 мг/м*ч*Па, то есть пар он практически не пропускает.
• Если утеплить ячеистобетонные стены пенопластом снаружи, сырость и грибок вам будут обеспечены. Уж если и использовать пенопласт в качестве утеплителя, то только изнутри. Там он будет препятствовать попаданию пара в стены, но для этого нужно, чтобы все стыки между плитами были хорошо герметизированы, и использовалась пароизоляционная плёнка.
• Толщина утеплителя для блоков D400 толщиной 300 мм должна быть не менее 100 мм. Но если при этом стены не будут утеплены снаружи, влажность кладки с нормативных 6% увеличится до 12%.

Это значит, что в итоге теплопроводность газоблока окажется выше расчётной, ухудшив теплоэффективность стен в целом.

Минвата – самый надёжный и подходящий по паропроницаемости вариант, её показатели в зависимости от плотности варьируются в пределах 0,30-0,60 мг/м*ч*Па. Это выше, чем у газобетона, поэтому для пара этот утеплитель не создаёт никаких препон.

Здесь важно, чтобы сама минвата не аккумулировала в себе влагу и не отсыревала. Поэтому, поверх неё монтируют паропроницаемую мембрану с ещё большей степенью проходимости. Так же, если для наружной отделки будет использоваться навесной материал или кирпич, для хорошей вентиляции предусматривают технологический зазор.

Если же по утеплителю будет выполняться штукатурка, то её коэффициент паропроницаемости должен быть выше, чем у минваты. При толщине плит в 50 мм, влажность газобетона может достигать 7%. Это хоть и незначительно, но превышает норму, поэтому лучше всего в расчёт закладывать утеплитель толщиной 100 мм.

Эковатой называют рыхлый целлюлозный утеплитель, обработанный для биологической стойкости борной кислотой. У него аналогичный минеральной вате коэффициент паропроницаемости и теоретически он подходит для наружного утепления ячеистобетонных стен.

Мнение эксперта
Виталий Кудряшов

строитель, начинающий автор

Внимание: На практике же любой насыпной материал неудобен для утепления стен, так как имеет способность самоуплотняться, в результате чего в теплоизоляционной прослойке образуются пустоты. Эковата сильнее минваты подвержена сорбционному увлажнению, поэтому проектировщиками в качестве материала для утепления стен она вообще не рассматривается.

Существует такое понятие, как тёплая штукатурка, которая получила своё название за счёт применения в качестве крупного заполнителя гранул перлита или пеностекла – материалов, которые сами по себе являются утеплителем. Если вы взяли для строительства дома блоки толщиной 375 мм, можно прекрасно обойтись теплоизоляционной штукатуркой, используя её и внутри, и снаружи.

Для внутренних работ применяют составы на основе цемента, гипса или извести с более низкой паропроницаемостью. Фасадные штукатурки имеют цементно-карбонатно-перлитовый состав с коэффициентом паропроницаемости 0,17 мг/м*ч*Па. Это немного меньше, чем у газобетона, но учитывая его толщину и наличие почти непроницаемого слоя штукатурки внутри, стена будет работать как надо.

Вопрос, как правильно утеплять дом из газобетона, является одним из самых важных, потому что от выбора теплоизоляционного материала зависит и долговечность конструкций, и комфорт эксплуатации жилья в целом. Надеемся, что представленная здесь информация окажется полезной, хотя окончательное решение, конечно же, остаётся за вами.

Какая теплопроводность газобетона – определяем толщину стены

Теплопроводность – свойство материала проводить(удерживать) тепло. Чем теплопроводность ниже, тем лучше материал сохраняет тепло. Газобетон в плане теплоэффективности обладает отличными показателями, которые во много раз лучше, чем у кирпича.

Если углубится в сам процесс передачи тепла, то тепловая энергия очень хорошо передается через плотные материалы, и намного медленнее передается через воздух. В газобетонных блоках очень много воздуха, чему способствуют многочисленные поры в его составе. Каждая отдельная пора представляет из себя преграду на пути продвижения тепла, и соответственно, тепло лучше сохраняется.

Газобетон бывает различной плотности, от D300 до D700. Чем плотность ниже, тем больше в нем воздуха, и ниже теплопроводность, то есть тепло лучше сохраняется. В более плотном газобетоне воздуха меньше, и тепло он сохраняет хуже.

Плотность и прочность газобетона связаны напрямую, то есть, легкие газобетоны имеют меньшую прочность на сжатие.

Теперь перейдем непосредственно к цифрам, а точнее к таблице теплопроводности газобетона и других материалов.

Влияние влаги на теплопроводность газобетона

Если внимательно разобраться в столбцах таблицы, то можно заметить небольшие различия в теплопроводности между сухим и влажным состоянием газобетона. Мокрый газобетон быстрее проводит тепло, то есть, хуже удерживает тепло. Чем блоки влажнее, тем больше у них теплопроводность.

Стоит отметить, что свежий автоклавный газобетон привозят на стройплощадку очень влажным, и чтобы он про сох до равновесной влажности, которая составляет 5%, ему необходимо просохнуть около года. Тогда его теплопроводность уменьшится, и он будет лучше удерживать тепло. Этап просушки является очень важным, и в этот период не стоит заниматься отделкой стен, они должны просыхать, иначе будет плесень.

Теплопроводность и тепловое сопротивление

Теплопроводность – это некоторый коэффициент материала, и чем он ниже, тем лучше сохраняется тепло.

Тепловое сопротивление, это расчетное значение стены, которое определяется по простой формуле – толщину газобетона (в метрах) делим на коэффициент теплопроводности материала.

Пример! Имеем стену из газобетона марки D400 толщиной 375 мм, и нужно определить тепловое сопротивление. По таблице смотрим тепловодность газобетона D400 – (0.11).

Тепловое сопротивление = 0.375/0.11 = 3.4 м2·°C/Вт.

Чем значение теплового сопротивления больше, тем лучше сохраняется тепло. Как вы понимаете, стена толщиной 400 мм будет удерживать тепло в два раза лучше, чем стена 200 мм.

С теплопроводностью самого газобетона разобрались, но как дела обстоят в кладке, ведь она включает в себя еще и швы. Так как швы между блоками состоят из клея или раствора, то они представляют из себя небольшие мостики холода, которые ухудшают общее тепловое сопротивление стены. Поэтому, кладку газобетона осуществляют только на специальный тонкошовный клей.

Толщина шва при кладке должна быть 2-3 мм, что сведет к минимуму мостики холода. Газобетонные блоки нельзя укладывать на обычный раствор, исключением является только первый ряд блоков по гидроизоляции фундамента.

сравнение с другими стеновыми материалами

Для удержания тепла внутри помещения применяют газобетон, который является одной из разновидностей ячеистого бетона. Его низкая теплопроводность, ценовая категория, скорость и удобство в процессе работы – это те критерии, которые привлекают большую часть потребителей.

Теплотехнические характеристики газоблоков

Процесс производства основан на проведении химической реакции, которая возникает в цементном растворе при добавлении алюминиевой пудры и извести. В результате смешивания этих компонентов выделяется газ – водород, который образует открытые ячейки неправильной формы, равномерно распределенные по всему объему блока.

Характиристики газобетона

Их высушивание производят при помощи автоклава с созданными термическими условиями или естественным образом. Полученная пористая структура наделяет газобетон следующими свойствами:

• повышенной теплоизоляцией;
• паропроницаемостью;
• малым весом при изрядных размерах.

Название	Значения
Морозоустойчивость	35-150
Усадка	от 0,3 мм/м2
Минимальная рекомендуемая толщина стены	от 0,4 м
Теплопроводность	от 0,08
Горение	не горит
Класс экологической безопасности	2

Блоки, полученные при помощи синтезного твердения на автоклавном оборудовании, по своим характеристикам в разы превосходят кирпичи, полученные при естественном способе высыхания. Однако их стоимость также пропорциональна качеству и затратам на изготовление.

Образующиеся ячейки перекрывают расходы высокими теплотехническими свойствами. Воздух в них набирает температуру медленно, что препятствует передаче тепловых волн. Поэтому чем менее плотен материал, тем выше его изоляционные характеристики.

Сфера применения	Марка плотности	Коэффициент теплопроводности в зависимости от наполнителя, Вт/(м °С)
		зола	песок
Теплоизоляционный	D300	0,08	0,08
	D400	0,09	0,1
	D500	0,1	0,12
	D600	0,13	0,14
Конструкционно-изоляционный	D700	0,15	0,15
	D800	0,18	0,21
	D900	0,2	0,24
Конструкционный	D1000	0,23	0,29
	D1100	0,26	0,34
	D1200	0,29	0,38

Монтируются блоки с использованием пазовых замков, клея. Такая технология минимизирует появление «мостиков холода», еще больше повышая качественные характеристики наружных стен.

Зависимость от влажности

Воздействие влажности из окружающей среды на конструкцию, построенную из газобетонных блоков, проявляется как впитывание влаги материалом стен. В связи с этим теплоизоляционная пропускная способность падает.

Коэффициент теплопроводности для блоков марки D500 в условиях повышенной влажности увеличивается с 0,12 Вт/(м °С) до 0,32 Вт/(м °С) и более.

Этот момент стоит учитывать и при строительстве применять защитное облицовку наружного слоя стены. Используют следующие виды отделки для защиты от влаги:

• оштукатуривание специальными смесями для газобетона;
• установку навесных вентилируемых фасадов;
• облицовку декоративным кирпичом с вентилируемым зазором;
• окраску специальными паропроницаемыми красками и шпатлевками.

Для практически 100% исключения проникновения влаги в несущую стену устанавливается навесной вентилируемый фасад. Каркас для облицовки сооружают из металлического профиля или деревянного бруса. Отделка выполняется из винилового или бетонного сайдинга, отделочных панелей или керамогранитной плитки.

Схема устройства вентфасада

Применение такой конструкции не позволяет осадкам контактировать с блоком, а вентзазор способствует естественному выходу накопившихся водяных паров из толщи стены.

Зависимость от плотности

Плотность газобетонных блоков является ключевым фактором для возведения наружных стен.

Сопротивление теплопередаче напрямую зависит от количества пустот в выбранной марке материала. При увеличении плотности повышается несущая способность, но увеличиваются теплопотери.

В таком случае повысить теплоэффективность конструкции возможно за счет увеличения толщины применяемых блоков.

Маркировка D300 означает, что в 1 м³ пористого бетона содержание твердых включений составляет 300 кг.

В зависимости от плотности классифицируется следующим образом:

• D300-D400. Используется как утеплитель для изоляции наружных поверхностей строений;
• D500-D900. Применяется для малоэтажного строительства, пригоден для утепления;
• D1000-D1200. Используется для возведения высоконагруженных высотных зданий. Имеет высокий коэффициент теплопроводности, в отличие от других марок блоков.

Зависимость от макроструктуры

Процесс производства газобетонных блоков заключается в выходе газа во время затвердевания материала, вследствие чего появляются вытянутые мелкие пустоты неправильной формы. Во время химической реакции появляющийся газ, влажный воздух выходит через микротрещины, которые впоследствии позволяют проникать влаге в блоки газобетона из окружающей среды, увеличивая при этом коэффициент теплопередачи.

Чем больше поры, тем лучше теплопроводность

Чем меньше размер и больше образующихся микропустот, тем выше теплоизоляционные свойства газобетона и теплее в комнатах. Это напрямую зависит от технологии производства.

Сравнение с другими стеновыми материалами

Наиболее популярным сырьем, используемым в народе, является кирпич и дерево. Каждый из них имеет свои ценовые преимущества, показатели экологической безопасности, доступности, но как показала мировая практика последних десятилетий, новые строительные материалы опередили их по многим показателям.

Приведем сравнительную характеристику по разным параметрам, важным в строительстве.

Название материала	Плотность, кг/м³	Коэффициент теплопроводности, Вт/(м °С)
Газобетон	600-800	018-0,28
Арболит	400-850	0,08-0,18
Пенобетон	400-1200	0,14-0,39
Шлакобетон	900-1400	0,2-0,58
Силикатный кирпич	1700-1950	0,85-1,16
Керамзитобетон	900-1200	0,5-0,7
Кирпич пустотелый	1 500-1 900	0,56-0,95

Из таблицы видно, что газобетон немного опережают по реальным значениям только арболит и пенобетон.

Приведем пример сравнения газобетона и кирпича, соответственно толщине стен. Невооруженным глазом видим превосходство над классическим стройматериалом.

Название	Толщина стены снаружи, м
	0,12	0,24	0,4
	Теплопроводность, Вт/м °C
Газоблок D600	1,16	0,58	0,35
Кирпич силикатный	7,51	3,75	2,25
Кирпич керамический	6,75	3,37	2,02

Из данных таблиц видно, что коэффициент теплопроводности газобетона доказывает его теплотехническую эффективность. Немного теплее только арболит и пенобетон.

Если сравнивать дома из бруса и газобетона, актуальны показатели усадки. Для первого варианта он равняется 4%, для второго пределы 0,3-0,5%. Следует сказать и о пожарной безопасности, устойчивости к действию влаги, плесневых грибков, сроку эксплуатации, что также на пользу деревянному заменителю.

Метод испытания теплопроводности изделий

С целью контроля теплопроводности используется метод, соответствующий требованиям ГОСТ № 7076, а пробы отбираются по схеме ГОСТ № 10180.

Он происходит в 5 этапов:

1. Выбор испытуемого образца, замер исходной толщины, температуры лицевых граней, массы.
2. Помещение блока в специальное устройство с нанесенной градуировкой.
3. Направление постоянного источника тепла (тепловых волн) под углом в 90°C к граням предмета. С интервалом в 300 секунд выполняются замеры данных термометра, сигналов тепломера.
4. После нагрева повторно проверяется толщина, температура нагретой поверхности.
5. Взвешивание.

Обычно для испытания используется 5 образцов. Используемое количество указывается в сертификате качества.

Как посчитать требуемую толщину стены?

Перед тем, как начать закупку материалов, следует рассчитать необходимую толщину стен. В зависимости от региона проживания, климатической зоны, ее параметры могут быть различными. В некоторых случаях делать слишком толстые стены экономически нецелесообразно.

Правильно произвести расчетную смету поможет учет требований СНиП 23-02-2003 по тепловой защите зданий и СП 23-101-2004 по проектированию тепловой защиты для зданий.

Выводы

Правильно выбранные стеновые блоки являются залогом обеспечения нужного, оптимального микроклимата в здании. Способность аккумулировать тепло облегчит финансовые затраты, требуемые на обогрев, охлаждение, что со временем окупит и трату на расходные материалы и работу по строительству.

Необходимость утепления в жилых домах определяется теплотехническим расчетом для конкретного климатического пояса. Так, для Москвы и Московской области можно применять блок марки D400 без утепления.

При строительстве 2-этажного жилого дома из газобетона D500 и выше не обойтись без утепления, но этот материал занимает достойное место в ряду конкурентов, предлагая отличные показатели плотности, влагостойкости, теплообмена.

Теплопроводность газобетона — АлтайСтройМаш

В условиях постоянного роста количества населения все больше внимания уделяется совершенствованию технологий строительства. Газобетонные блоки отличаются внушительными габаритами, легким монтажом и улучшенными техническими характеристиками. Например, теплопроводность газоблока значительно ниже, чем у кирпича. Это делает материал экономичным при покупке и возведении зданий любого типа за счет сокращения количества сырья при сохранении должного уровня теплопроводности.

Алтайский завод строительного машиностроения проектирует и производит оборудование для производства газобетонных блоков. Станки собираются в России, поставляются на территорию Казахстана, Узбекистана, а также в любую другую точку мира. Помимо того, что газоблок способствует оперативному сооружению зданий, он долговечен, способен переносить до 150 циклов заморозки и разморозки.

Коэффициент теплопроводности газобетона по марке

На производственных линиях компании АлтайСтройМаш выпускаются газоблоки любых марок: D400, D500, D600 и т.д. Каждая марка газобетонных блоков служит определенной цели в работах по возведению зданий:

• D400 применяется для строительства временных малогабаритных построек жилого типа. Сырье требует дополнительной отделки или облицовки. Цифра «400» говорит о том, что в 1 куб.м. газобетона содержится 400 кг твердого материала; остальное пространство занимают пузырьки воздуха.

• D500 подходит для построек бытового и сельскохозяйственного назначения. Блоки немного прочнее, чем марка D400, однако еще не способны выдерживать нагрузку тяжелой кровли. 

• Блоки D600 и выше применяются при малоэтажном строительстве, обычно при возведении частных одноуровневых домов. 

Пористая структура газобетонных блоков препятствует выдуванию тепла из внутренней части здания. Это позволяет экономить на теплоизоляционных материалах при дальнейших отделочных работах.

Таблица теплопроводности газобетона

Уровень влажности, %	Марка D400	Марка D500	Марка D600
0	0.096	0.112	0.141
5	0.117	0.147	0.183

Коэффициент теплопроводности измеряется в Вт/м*°С. Приведенные характеристики отражают низкий уровень выдувания тепла. Показатель достигается ввиду того фактора, что пузырьки воздуха, находящиеся внутри блока, медленно меняют свою температуру. 

Теплопроводность газобетона: сравнение с деревом и кирпичом

• Средневзвешенные показатели теплопроводности для газоблоков составляют 0,08-0,14 Вт/м*°С. 

• Для декоративного керамического кирпича, который используется при внешней облицовке стен здания, уровень теплоотдачи указывается в диапазоне от 0,36 до 0,42 Вт/м*°С. 

• Стены из обычного глиняного кирпича, уложенного в один ряд, соответствуют показателю 0,56 Вт/м*°С. 

• Самый дорогой силикатный кирпич также служит декоративным целям и не сохраняет тепло в здании из-за показателя в 0,71 Вт/м*°С. 

• Теплопроводность древесины зависит от сорта дерева и влажности окружающей среды. Ее характеристики находятся в диапазоне от 0,09 до 0,218 Вт/м*°С. 

При просмотре нашего каталога товаров вы найдете объекты строительного машиностроения для производства блоков из газобетона. Материал для возведения и облицовки стен обладает хорошими перспективами и будет распространяться на новые сферы промышленности. 

Теплопроводность газобетона и газобетонных блоков

На протяжении долгих лет строители отдавали предпочтение кирпичу как долговечному, прочному материалу, устойчивому к износу. Современный рынок предлагает ряд альтернативных материалов, среди которых ячеистые бетоны, обладающие большим количеством преимуществ. Одним из важных плюсов газобетона является теплопроводность, которая подразумевает способность материала сохранять тепло внутри помещения.

Способность строительного материала к удержанию тепла зависит от многих факторов, среди которых плотность, характеристика взаимодействия с влагой, расположенность к теплоусвоению и паропроходимость.

Теплопроводность газобетона обусловлена его структурой. Любой ячеистый бетон на 85% состоит из пузырьков воздуха, который создает своеобразную прослойку при взведении стен здания и оказывается отличным утеплителем. В сравнении с пенобетоном газоблок оказывается более подвержен воздействию влаги, что сказывается на его теплопроводности. Поэтому при проведении строительных работ необходимо осуществить гидроизоляцию используемых изделий и будущей постройки.

От чего зависит теплопроводность газобетонных блоков?

На теплопроводность газобетона влияет влажность воздуха. В сухом климате его показатели будут более располагающими, но в иных условиях способность ячеистых бетонов к пропусканию тепла практически схожи с теми, которые демонстрирует кирпич. Каждый регион имеет индивидуальные климатические и погодные особенности, которые предполагают использование тех или иных материалов. В случае с областями, где наблюдается высокая влажность воздуха, прибегают к эксплуатации изделий с большей толщиной, а любое строительство требует проведения предварительных расчетов для того, чтобы полученная в финале теплопроводность газобетона не сказалась на пригодности дома к эксплуатации и комфорте проживания в нем.

Осуществление расчетов предполагает учет толщины газоблоков, возможность их эффективного утепления и обустройство потенциальной системы отопления.

Теплопроводность газобетона, используемого при возведении стен, может зависеть от качества клеевого раствора, так как места смыкания блоков являются возможными причинами проникания холода. Также сказывается и наличие армопоясов. Использование обычного бетона приведет к тому, что дом будет сильно промерзать, поэтому строители используют железобетонные армированные пояса для увеличения теплопроводности газобетонных блоков. Необходимость использования этих деталей сказывается на финансовых затратах на строительство.

Зависимость теплопроводности от плотности

Коэффициент теплопроводности газобетона напрямую зависит от плотности материала. Чем плотнее его структура, тем выше способность к удержанию тепла. При этом наблюдается специфичная зависимость теплоизоляции от прочности материала: чем менее прочен газобетон, тем лучше он удерживает тепло. Выбирая марку материала, стоит ориентироваться и на эту особенность, и при строительстве дома выбирать газобетон марки D500- D600.

Преимущества теплопроводности газобетона

Низкий коэффициент теплопроводности материала позволяет серьезно сэкономить на системе отопления и электроэнергии, затрачиваемой на поддержание комфортной температуре в помещении. Стены дома из газобетона помогают поддерживать приятный микроклимат, сохраняя тепло зимой, а жарким летом создавая приятную прохладу благодаря тому, что они не пропускают тепло извне.

Экономичность в использовании газобетона заключается еще в том, что нет необходимости в затратах на дополнительную теплоизоляцию. В случае необходимости повышения теплоизоляции можно облицевать фасады здания кирпичом, сделав более привлекательным его внешний вид и увеличив его способность к сохранению тепла.

Купить газобетонные блоки высокого качества и по выгодным ценам можно на сайте компании «УниверсалСнаб».

Теплопроводность газобетона, характеристики теплопроводности газоблока

Пористая структура газобетона

Газобетонные блоки обладают высокими показателями теплоизоляционных характеристик. Коэффициент теплопроводности газобетона — 0,12 Вт/м °С—0,145 Вт/м °С. Это связано с тем, что материал имеет высокую пористость.

Чем меньше процент пористости, тем ниже теплоизоляционные свойства. Поскольку газоблоки характеризуются более ячеистой текстурой, то данный материал превосходит по теплопроводности кирпич и пеноблоки. Чем больше пузырьков воздуха, тем больше свойства теплоизоляции материала.

Газобетон: характеристики теплопроводности

Ячеистый состав блоков предполагает, что производитель смог насытить бетонную смесь пузырьками воздуха. Например, для получения 1 куб.м. газобетона d500 необходимо 500 кг газобетонного материала.

Хотя воздух не обладает сильной прочностью, зато у него из всех веществ сама низкая теплопроводностью. Количество пузырьков воздуха, которые будут находиться в ячейках, и обусловливает теплоизоляционные свойства материала.

Помимо теплопроводности ключевой особенностью газобетонной смеси является крепкая и прочная оболочка пустот, которая получается в результате термической обработки.

Отличия теплопроводности газобетона 400 от теплопроводности газобетона 500

Структура газобетона d500 отличается от марки d400 тем, что у плотность смеси в марке d500 меньше. Следовательно, теплопроводность газобетона d500 будет более высокой. Что это означает на практике? То, что через газобетонные блоки d500 тепло будет покидать здание быстрее, чем через газобетон d400.

Однако, из-за меньшей плотности воздушных пузырьков, марка d500 прочнее d400.

Выбор марок газобетона для строительства

Газобетон марки d500 в сравнении с d400 более прочный, но менее теплый. Но эта разница настолько незначительна и незаметна, что не приведет к существенному различию в качестве построек из таких двух разных материалов. Какую бы марку вы не выбрали, все равно дом из газобетона будет обладать более низкой степенью теплопроводности, чем здание из кирпича.

Низкий показатель теплопроводности – экономия ваших денег

Причин, по которым для постройки дома стоит выбрать газобетон, множество. Одна из лавных – это экономия финансов не только при строительстве, но и для сохранности капиталовложений в будущем. Если посчитать энергозатраты при эксплуатировании газобетонного дома, то они значительно ниже, чем расходы на содержание кирпичной постройки. Значит, в денежном эквиваленте расходуемые энергоресурсы будут разительно меньшими в помещениях из газоблоков.

В интернет-магазине стройматериалов «Керамик Фест» вы можете купить газоблоки, которые точно соответствуют заявленным производителем техническим характеристикам.

Читайте также: Постройка дома из газобетона

Газовая теплопроводность – обзор

8.6.3 Нано изоляционные материалы

Развитие от VIP к нано изоляционным материалам (NIM) показано на рис. 8.10. В NIM размер пор внутри материала уменьшается ниже определенного уровня (т.е. 40 нм или ниже для воздуха), чтобы достичь общей теплопроводности менее 4 мВт / (м · К) в исходном состоянии. То есть NIM в основном представляет собой гомогенный материал с закрытой или открытой структурой мелких нанопор с общей теплопроводностью менее 4 мВт / (м · К) в исходном состоянии.

Рисунок 8.10. Развитие от вакуумных изоляционных панелей к наноизоляционным материалам (Jelle et al., 2010a).

Сеточная структура в NIM, в отличие от VIM и GIM, не должна предотвращать проникновение воздуха и влаги в их пористую структуру в течение срока их службы в течение как минимум 100 лет. NIM достигают своей низкой теплопроводности без создания вакуума в порах за счет использования эффекта Кнудсена. Теплопроводность газа λ _газ , включая также взаимодействие газа и стенки поры, с учетом эффекта Кнудсена, можно в упрощенном виде записать как (Baetens et al., 2010a; Bouquerel et al., 2012; Jelle, 2011а; Jelle et al., 2010a; Kaganer, 1969):

[8.2] λgas = λgas, 01 + 2βKn = λgas, 01 + 2βkBTπd2pδ

, где

[8.3] Kn = σсреднδ = kBT2πd2pδ

, где λ _{теплопроводность газа} поры, включая взаимодействие газа и стенки поры (Вт / (мК)), λ _{газ, 0} – теплопроводность газа в порах при стандартной температуре и давлении (Вт / (мК)), β – коэффициент, характеризующий эффективность передачи энергии столкновения молекулы со стенкой (in) (между 1.5 и 2.0), k _B – постоянная Больцмана ≈1,38 · 10 ⁻²³ Дж / K, T – температура (K), d – диаметр столкновения молекул газа (м), p – давление газа в порах (Па), δ – характерный диаметр пор (м), а σ _{– среднее значение} – длина свободного пробега молекул газа (м).

Уменьшение размера пор в материале ниже определенного уровня (т.е. диаметра пор порядка 40 нм или ниже для воздуха), теплопроводность газа и, следовательно, общая теплопроводность становится очень низкой (<4 мВт / (мК) с адекватной твердотельной структурой с низкой проводимостью) даже с порами, заполненными воздухом.Это вызвано эффектом Кнудсена, когда длина свободного пробега молекул газа больше диаметра поры. То есть молекула газа, расположенная внутри поры, ударится о стенку поры, а не другую молекулу газа, где о взаимодействии твердого тела и газа заботится коэффициент β в формуле. [8.2]. Следовательно, результирующая теплопроводность газа λ _газ , включая также взаимодействие газа и стенки поры, в зависимости от диаметра поры и давления порового газа, может быть рассчитана в этой упрощенной модели и изображена на рис.8.11. Для получения дополнительных сведений см. Работу Baetens et al. (2010a) и Jelle et al. (2010a).

Рисунок 8.11. Теплопроводность газа и (вверху) 2D-график, показывающий влияние диаметра пор для воздуха, аргона, криптона и ксенона, и (внизу) 3D-график, изображающий влияние диаметра пор и давления газа в порах для воздуха (Jelle et al. др., 2010а).

Соотношение Стефана – Больцмана может быть применено, чтобы показать, что радиационная теплопроводность линейно уменьшается с уменьшением диаметра поры, причем коэффициент излучения внутренних стенок поры определяет наклон уменьшения.То есть, чем меньше поры и ниже коэффициент излучения, тем ниже будет теплопроводность излучения. Однако в различных работах (например, Joulain et al., 2005; Mulet et al., 2002; Zhang, 2007) описывается большое увеличение теплового излучения по мере того, как диаметр пор уменьшается ниже длины волны теплового (инфракрасного) излучения (например, , 10 мкм), где важную роль может играть туннелирование затухающих волн (эффекты излучения ближнего поля). Работа Mulet et al. (2002) и Joulain et al.(2005) указывают, что сильное тепловое излучение сосредоточено только вокруг определенной длины волны (или нескольких). То есть это может означать, что полное тепловое излучение, интегрированное по всем длинам волн, не так уж велико. Насколько это реально влияет на общую (общую) теплопроводность, на данный момент полностью не известно, хотя предполагается, что она, по крайней мере, довольно умеренная. Тем не менее, эти темы в настоящее время рассматриваются в текущих исследованиях. Исследование Jelle et al.(2010a) более подробно рассматривает эти вопросы теплового излучения.

Проводимость решетки твердого тела в NIM должна поддерживаться на минимально возможном уровне, чтобы получить минимально возможную общую теплопроводность. Если твердотельная решетка с низкой проводимостью и низкая теплопроводность газа будут достигнуты и все еще будут доминировать в теплопередаче (то есть больше, чем часть теплового излучения), тогда NIM могут стать высокоэффективным теплоизоляционным материалом будущего.

Теплопроводность газов – tec-science

Теплопроводность идеальных газов не зависит от давления для газов, которые не слишком сильно разбавлены.Это уже не относится к газам с низким давлением.

Введение

В статье Теплопроводность в твердых телах и идеальных газах была получена следующая формула для оценки теплопроводности λ идеальных газов:

\ begin {align}
\ label {l}
& \ boxed {\ lambda = \ frac {1} {3} \ cdot c_v \ cdot \ rho \ cdot v \ cdot l} \\ [5px]
\ end {align}

В этой формуле c _v обозначает удельную теплоемкость при постоянном объеме, ϱ плотность газа, v среднюю скорость молекул газа и l длину свободного пробега.Эта формула будет объяснена более подробно в этой статье, и будут обсуждены полученные выводы для газов.

Рисунок: Средняя длина свободного пробега в тонком газе с низким давлением и плотном газе с высоким давлением

Используя формулу, можно предположить, что теплопроводность зависит от давления, поскольку чем выше давление, тем выше плотность газа. Этот аргумент также можно четко понять с помощью модели частиц материи, потому что чем больше частиц, тем больше энергии они могут перенести в целом.Обратите внимание, что согласно кинетической теории газов каждая молекула газа несет энергию ½⋅k _B ⋅T на степень свободы (с k _B в качестве постоянной Больцмана ).

Однако в той же степени, в какой увеличивается плотность с увеличением давления, длина свободного пробега уменьшается! Фактически, теплопроводность идеальных газов поэтому не зависит от давления или плотности частиц (для ограничения этого утверждения, позже)!

При не слишком низких давлениях теплопроводность газов не зависит от давления!

Рисунок: Средняя длина свободного пробега и средняя скорость молекул в газе

Независимость теплопроводности от давления для высоких давлений (плотные газы)

Независимость теплопроводности от давления также можно показать математически.Для этого плотность ϱ в уравнении (\ ref {l}) сначала выражается как отношение массы газа m _gas и объема газа V _gas . Тогда масса газа может быть выражена количеством вещества n _газа ( химическое количество ) и молярной массой M _газа газа.

\ begin {align}
\ lambda & = \ frac {1} {3} \ cdot c_v \ cdot \ frac {m_ {gas}} {V_ {gas}} \ cdot v \ cdot l \\ [5px]
& = \ frac {1} {3} \ cdot c_v \ cdot \ frac {n_ {gas} \ cdot M_ {gas}} {V} \ cdot v \ cdot l \\ [5px]
\ end {align}

Произведение удельной удельной теплоемкости и молярной массы равно так называемой молярной теплоемкости C _{m, v} , при этом молярная теплоемкость зависит только от степеней свободы f и молярной газовой постоянной R _m (C _{м, v} = f / 2⋅R _м ).Кроме того, количество вещества n _газа можно выразить соотношением количества частиц N и константы Авогадро N _A (n _газа = N / N _A ):

\ begin {align}
\ lambda & = \ frac {1} {3} \ cdot \ underbrace {c_v \ cdot M_ {gas}} _ {C_ {m, v}} \ cdot \ frac {n_ {gas} } {V} \ cdot v \ cdot l \\ [5px]
& = \ frac {1} {3} \ cdot \ underbrace {C_ {m, v}} _ {= \ frac {f} {2} R_m } \ cdot \ frac {N} {N_A \ cdot V} \ cdot v \ cdot l \\ [5px]
& = \ frac {1} {3} \ cdot \ frac {f} {2} R_ {m} \ cdot \ frac {1} {N_A} \ cdot \ frac {N} {V} \ cdot v \ cdot l \\ [5px]
& = \ frac {f} {6} \ frac {R_m} {N_A} \ cdot \ frac {N} {V} \ cdot v \ cdot l \\ [5px]
\ end {align}

Соотношение количества частиц и объема газа соответствует плотности частиц n, а частное молярной газовой постоянной и постоянной Авогадро соответствует постоянной Больцмана k _B (для этого отношения см. 3 m}}} ​​\\ [5px]
\ end {align}

Эта формула теперь ясно показывает, что теплопроводность идеальных газов не зависит от плотности частиц и, следовательно, не от давления.Он также показывает, что газы с относительно большими молекулами имеют более низкую теплопроводность, чем газы с меньшими молекулами (это связано с уменьшением длины свободного пробега в результате большего диаметра столкновения d). Кроме того, теплопроводность газов с легкими частицами выше, чем у газов с более тяжелыми частицами. Кроме того, теплопроводность зависит от температуры. Теплопроводность увеличивается с повышением температуры!

Теплопроводность газов тем больше, чем меньше и легче молекулы и чем выше температура!

Зависимость теплопроводности от давления для низких давлений (разбавленные газы)

Если давление не влияет на теплопроводность газов, зачем использовать вакуум для теплоизоляции?

Тот факт, что теплопроводность не зависит от давления, верен только до тех пор, пока длина свободного пробега намного меньше размеров объема, в котором содержится газ.Если давление (плотность частиц) в контейнере все больше и больше уменьшается, частицы больше не сталкиваются друг с другом, а скорее со стенками контейнера. Таким образом, при очень низких давлениях длина свободного пробега определяется размером контейнера, а не свободным пробегом между двумя столкновениями частиц.

Это также относится к случаям, когда давление не уменьшается, а размер емкости уменьшается. Это актуально, например, для изоляционных материалов, в которых газы заключены в небольшие поры.Такие ситуации также могут возникнуть с тонкими слоями фольги или небольшими промежутками, если между ними есть газ.

Рисунок: Влияние размеров контейнера на длину свободного пробега

Средняя длина свободного пробега в этих случаях приблизительно соответствует размеру δ объема (например, диаметру поры или расстоянию зазора) и, следовательно, является постоянной величиной. В этом случае длина свободного пробега больше не зависит от плотности частиц: l≈δ = константа. Если длина свободного пробега является постоянной величиной, уравнение (\ ref {ll}) указывает на уменьшение теплопроводности с уменьшением плотности частиц (или давления)!

\ begin {align}
\ label {a}
& \ lambda = \ frac {f} {6} k_B \ cdot n \ cdot v \ cdot \ delta \\ [5px]
\ end {align}

В разреженных газах или при малых объемах газа теплопроводность зависит от давления!

В так называемых манометрах Пирани это соотношение используется для заключения о давлениях в среде с высоким вакуумом на основе теплопроводности.

Номер Кнудсена

Как уже указывалось, характерная длина δ пор или расстояние между фольгой в изоляционных материалах часто намного меньше, чем длина свободного пробега l содержащихся в них газов. В этом случае газ больше не может быть описан как континуум, так что уравнение (\ ref {a}) больше не может применяться в этой форме (однако качественная формулировка этого уравнения не теряет своей справедливости).

Характерная длина относится к размеру / размеру системы!

В этом контексте так называемое число Кнудсена указывает, можно ли по-прежнему рассматривать газ как континуум или следует применять кинетику теории газа.Безразмерное число Кнудсена Kn описывает отношение длины свободного пробега l к характерной длине газового объема δ:

\ begin {align}
& \ boxed {Kn: = \ frac {l} {\ delta}} \\ [5px]
\ end {align}

Для значений, намного меньших 1, все еще применяется механика сплошной среды, а для значений намного больших, чем 1, используется описание с помощью законов кинетической теории газа. 2 \ cdot p \ cdot \ delta}} \\ [5px]
\ конец

В случае изоляционных материалов, где число Кнудсена часто намного меньше 1, теплопроводность замкнутого газа может быть определена по следующей формуле [см. М.Г. Каганер: « Теплоизоляция в криогенной технике », 1969]:

\ begin {align}
\ label {lam}
& \ boxed {\ lambda = \ frac {\ lambda_0} {1 + 2 \ beta \ cdot Kn}} \\ [5px]
\ end {align}

В этой формуле λ ₀ обозначает теплопроводность при стандартных условиях (1 атм, 0 ° C), а β – весовой коэффициент, который здесь не обсуждается. Даже если использование уравнения (\ ref {lam}) требует, чтобы число Кнудсена было намного меньше 1, оно все равно должно быть как можно большим, особенно для изоляционных материалов! Это приводит к низкой теплопроводности.

Для низкой теплопроводности число Кнудсена должно быть как можно большим!

Смесь чистых газов, обеспечивающая максимальные характеристики теплопередачи для закалки

1.

T.W. Рюффл и Э.Р. Бирнс, Heat Treat. Встретились. , Том 4, 1979 г., стр. 81–87

Google Scholar

2.

Б. Лот и О. Делькур, Закалка в газе гелием в вакуумных печах, Первая конференция ASM / Европа по термообработке. (Амстердам, Нидерланды), ASM International, 1991

3.

Б. Лот и О. Делькур, Закалка и науглероживание, 3-е Междунар. Семинар, Международная федерация термообработки и обработки поверхностей (Мельбурн, Австралия), 1991 г., стр. 104–127

4.

А.Е. Берглс, Принципы увеличения теплопередачи, Теплообменники, теплогидравлические основы и проектирование , Hemisphere, 1981, стр. 819–842

5.

Ф. Крейт и М.С. Бон, Принципы теплопередачи , 5-е изд., West Publishing Co., Сент-Пол, Миннесота, 1993

Google Scholar

6.

Д. Мисич и Г. Тодос, Теплопроводность углеводородных газов при нормальном давлении, AIChE J. , том 7, 1961, стр. 264

Статья CAS Google Scholar

7.

W.R. Gambill, Вы можете предсказать газопроводность, Chem.Англ. , Том 64 (№ 4), 1957, стр. 277

CAS Google Scholar

8.

Х. Леманн, Теплопроводность газовых смесей, Chem. Technol. , Том 9, 1957, стр. 530

CAS Google Scholar

9.

P.E. Liley, Symposium on Thermal Properties , Purdue University, 1959, p 40–69

10.

W.E. Ранц, Скорость передачи массы и тепла для больших градиентов концентрации и температуры, Tech.Репт. 1 , Университет Миннесоты, 1962

11.

Н.В. Цедерберг, Теплопроводность газов и жидкостей , The M.I.T. Пресс, 1965

12.

Р.С. Брокав, Приближенные формулы вязкости и теплопроводности газовых смесей, J. Chem. Phys. , Том 29, 1958, p 391

Статья CAS Google Scholar

13.

Р.С. Брокоу, Приближенные формулы вязкости и теплопроводности газовых смесей, NASA Tech.Записка D-2502 , Исследовательский центр Льюиса, Кливленд, Огайо, 1964

Google Scholar

14.

J.O. Хиршфельдер, К.Ф. Кертис, Р. Б. Берд, Молекулярная теория газов и жидкостей, , John Wiley & Sons, Inc., 1954

15.

E.A. Мейсон, Теплопроводность многокомпонентных газовых смесей, J. Chem. Phys. , Vol 28, 1958, p 1000

Статья CAS Google Scholar

16.

E.A. Мейсон, С.С. Саксена, Теплопроводность многокомпонентных газовых смесей, J. Chem. Phys. , Том 31, 1959, p 511

Статья CAS Google Scholar

17.

E.A. Мейсон и Х. фон Убиш, Теплопроводность смесей редких газов, Phys. Жидкости , Том 3, 1960, стр. 355

Артикул CAS Google Scholar

18.

К. Макенфус и К.Ф. Кертис, Теплопроводность многокомпонентных газовых смесей, J. Chem. Phys. , Vol 29, 1958, p 1273

Статья CAS Google Scholar

19.

E.A. Мейсон, С.К. Саксена, Приближенная формула теплопроводности газовых смесей, Phys. Жидкости , Том 1, 1958, стр. 361

Артикул CAS Google Scholar

20.

N.B. Варгафтик и др., Справочник по теплопроводности жидкостей и газов , CRC Press, 1993

21.

C.R. Wilke, Уравнение вязкости для газовых смесей, J. Chem. Phys. , Vol 18, 1950, p 517

Статья CAS Google Scholar

22.

J.O. Хиршфельдер, М. Тейлор и Т. Кихара, «Лаборатория теоретической химии», WIS-OOR-29, Университет Висконсина, 1960 г.

23.

А. Жукаускас, Теплопередача от труб в поперечном потоке, Advances in Heat Transfer , Vol. 8, J.П. Хартнетт, Т.Ф. Irvine, Ed., Academic, 1972

Теплопроводность сетей углеродных нанотрубок: обзор

Изучение тепловых свойств материалов, включая теплопроводность, всегда было сложной задачей из-за большого количества параметров, которые необходимо учитывать. счет в тестах. К ним относятся тепловые потери, которые не следует принимать во внимание, чтобы мы могли правильно определить тепловой поток через образец.

Измерения теплопроводности можно проводить разными методами.Некоторые из них более популярны, например, метод 3-ω, сравнительный метод, метод устойчивого нагрева или метод самонагрева, но некоторые ученые создают свои собственные наборы тестов. Ниже мы представили некоторые из этих методов и кратко их описали, сосредоточив внимание на наиболее важных элементах и ​​различиях.

Методы измерения теплопроводности можно классифицировать в зависимости от процедуры нагрева. Методы, при которых образец находится в прямом контакте с нагревателем, называются методом контактного нагрева.С другой стороны, методы, при которых образец нагревается с помощью излучения, называются методом бесконтактного нагрева. В первую группу входят, среди прочего, 3-ω, болометрический и стационарный методы. Бесконтактные методы включают, среди прочего, лазерный импульсный анализ (LFA), метод термоотражения и рамановскую спектроскопию.

Контактные методы

Метод третьей гармоники

Метод третьей гармоники (метод 3-ω) обычно используется для измерения тепловых свойств объемных материалов и пленок [31,32,33,34,35,36,37 , 38,39], в котором образец нагревают переменным током с частотой ω .В образце при нагревании индуцировалось изменение температуры с частотой 2 ω , а на нагревателе регистрировалось падение напряжения с частотой 3 ω .

На рис. 4 показана схема измерительной установки (а) и электронная схема экспериментальной установки (б). Экспериментальная установка снабжена запирающейся интегральной схемой в камере, которая изолирует образец от комнатных условий, и подключена к электрической цепи. Очень важный элемент измерительной установки, схема которой представлена ​​на рис.4, представляет собой металлический мост. Это и обогреватель, и градусник. Во время эксперимента используется точно контролируемый источник переменного тока для предотвращения перенапряжения, которое может повредить образец УНТ.

Рис. 4

Перепечатано с разрешения Choi et al. Авторское право (2006) Американского химического общества. Перепечатано из Yamane et al. с разрешения AIP Publishing

Схема установки метода 3 омега ( a ) [34] и электронная схема экспериментальной установки ( b ) [102].

Мост обычно представляет собой металлическую проволоку из золота [31] или платины [32]. Подавая напряжение, мост генерирует тепло и вызывает колебания температуры 2- ω . Создаваемые колебания температуры очень тесно связаны с тепловыми свойствами образца. Кроме того, следует отметить, что электрическое сопротивление металлического моста пропорционально его температуре, и, следовательно, это сопротивление также модулируется частотой 2- ω .{4} U_ {3 \ omega} A}} $$

(2)

, где R – сопротивление образца между потенциальным электродом, R – температурный градиент сопротивления при заданной температуре, L, – расстояние между потенциальными электродами, A – площадь поперечного сечения образца, I – ток переменного тока, U _3ω – сигнал напряжения третьей гармоники.

В этом методе необходимо правильно изготовить тестовые устройства.Слой УНТ помещается на подложку, ограничивающую тепловые потери, обычно кремниевую пластину. Затем под давлением слой УНТ вдавливается в сенсор. Датчик представляет собой многослойный комплект на основе стекла [33] или полимера [31], на котором закреплен металлический мостик, покрытый изоляционным слоем, для изоляции электропроводного моста от образца УНТ. На рис. 5 представлена ​​схема приготовления образца [33].

Рисунок 5

Создано на основе Hu et al. [33]

Схема экспериментальной установки в методах 3-ω.

Метод 3-ω часто используется для измерения теплопроводности тонких пленок, таких как пленки УНТ. Этот метод был адаптирован для измерения теплопроводности УНТ и впервые использован Choi et al. [32, 34]. Они провели исследование с использованием двухточечных измерений для одной MWCNT (650 Вт / мК) и сравнили их с результатами для MWCNT, покрытых слоем платины (830 Вт / мК). В следующей публикации они определили значение теплопроводности для одного MWCNT, используя четырехточечное измерение 3-ω.Величина проводимости составила к = 300 ± 20 Вт / мК. Это на порядок меньше, чем в теоретических рассуждениях для отдельных ОСУНТ, которые авторы объяснили межтрубной дисперсией фононов и негармоническим рассеянием переброса, которое является основным механизмом рассеяния в МУНТ при комнатной температуре. В этом документе были даны рекомендации другим ученым по использованию этого метода для измерения пленок УНТ.

Стационарный метод

Стационарный метод определения термических характеристик, показанный на рис.6а, состоит из измерения перепада температуры образцов, помещенных между нагревателем и радиатором [40, 41]. Метод основан на определении, что теплопроводность представляет собой тепловую энергию, передаваемую через образец длиной L, и зависит от поперечного сечения A , разности температур (горячего и холодного конца) в установившемся режиме теплопередачи и описывается используя Формулу (3):

$$ k = \ frac {QL} {A \ Delta T} $$

(3)

, где Q – количество тепловой энергии, протекающей через образец, которое описывается уравнением Q = p – Q _потери , где p – приложенная мощность нагрева, а Q _потери – паразитные потери тепла из-за излучения, теплопроводности и конвекции в окружающую среду. L и A – это параметры образца: длина и площадь поперечного сечения, а Δ T – разница температур между датчиками температуры.

Рисунок 6

Создано на основе Zhao et al. [103]

Схема установившихся измерительных установок a и PTC b .

Измерение относительно простое [42], но необходимо приложить много усилий, чтобы минимизировать тепловые потери. Эффект потери тепла через излучение, тепло, передаваемое через провода термопары и нагревателя, а также влияние тепловых свойств газа, окружающего образец (теплопроводность и конвекция), влияют на ошибку измерения теплопроводности образца.Что также имеет значение, так это чувствительность измерения термопары при определении Δ T вдоль образца. Вот почему необходимо обеспечить вакуум для измерения, чтобы ограничить влияние теплопроводности и потерь на конвекцию, а также применить экранирование для ограничения потерь на излучение.

Из-за относительно простого измерения было разработано несколько вариантов этого метода, таких как метод параллельной теплопроводности и установившийся метод с использованием ИК-термометра. В эту группу методов входит также сравнительный метод.

Параллельная теплопроводность (PTC) – это метод одномерного стационарного измерения, отличный от классического одномерного стационарного метода. Электропроводность фона выше, чем в самом образце, и ее необходимо точно определять и вычитать.

Метод особенно полезен для образцов, которые недостаточно жесткие, чтобы поддерживать нагреватели и термометр, поэтому его можно успешно применять в основном для измерения определенных нитей УНТ [43, 44], но также и листов УНТ [45, 46 ].На рисунке 6b схематически представлена ​​измерительная установка в методе PTC.

К недостаткам этого метода можно отнести тот факт, что измеряемые образцы должны быть относительно большими – длиной ок. Для пленок или пряжи требуется 80 мм. Одним из преимуществ является то, что можно измерять упругие образцы без жесткости, требуемой классическим стационарным методом.

Стационарный метод с ИК-термометром

Другой вариант установившегося метода отличается от оригинального способом регистрации распределения температуры образца при протекании переменного тока определенной силы тока через образец.Вместо классических термопар для измерения значения Δ T изменения температуры образца в зависимости от его длины можно регистрировать с помощью ИК-термометра [47, 48] или ИК-микроскопа [49]. Затем на основании полученных результатов производятся соответствующие расчеты и определяется значение теплопроводности. Этот метод применяли Чжан [47], Ван [48] и Лю [49].

На рисунке 7 схематически представлена ​​измерительная установка. С помощью серебряной пасты на электроды (медь [48, 49] или алюминий [47]) наносится жгут УНТ или вырезанная пленка.Вся измерительная установка размещается на изолирующей подложке (деревянной [47], пластиковой [49] или стеклянной [48]). Измерения проводятся в вакуумной камере, чтобы уменьшить влияние окружающей среды.

Рис. 7

Перепечатано с разрешения Zhang et al. [47] Copyright (2012) Американское химическое общество

Схема установки для стационарных измерений с ИК-термометром.

Измерения обеспечили распределение температур по всей длине образца с максимальной температурой T _м в середине образца.Зная значения приложенного напряжения и сопротивления, а также физические параметры образца, значение теплопроводности можно рассчитать по формуле 4 [48].

$$ k = \ frac {U * I * 1 / 2l} {{4wt (T_ {m} – T_ {o})}} $$

(4)

, где U – напряжение, l – ток , w и t – длина, ширина и толщина образца, а T _o – температура, при которой проводятся измерения. берется – обычно 300 К.

Сравнительный метод

Измерение теплопроводности с использованием сравнительного метода заключается в измерении снижения температуры на стержне, для которого известна зависимость проводимости от температуры, и на образце. Для проведения измерения образец определенных размеров помещается последовательно с помощью стержня (изготовленного из стандартного материала) с датчиком температуры, как показано на рис. 8. Нагреватель нагревает горячий конец и создает тепловой поток. через образец и стержень из эталонного материала к холодному концу.Теплопроводность может быть рассчитана на основе значений температуры вдоль образца и стержня при нагревании. Вся установка откалибрована на основе стандартов с известной температурно-зависимой теплопроводностью, необходимой для расчета теплопроводности образца, описываемого формулой 5 [41].

$$ k = k _ {\ text {r}} \ frac {{\ Delta T _ {\ text {r}}}} {{\ Delta T _ {\ text {s}}}} \ frac {{\ Delta z _ {\ text {s}}}} {{\ Delta z _ {\ text {r}}}} $$

(5)

, где k и k _r – теплопроводность образца и эталонного материала, Δ T _s и Δ T _r – разница температур в образце и эталоне. материала, Δ z _s и Δ z _r – расстояние датчика в образце и в контрольном материале.

Рисунок 8

Создано на основе Brütting et al. [104]

Схема установки сравнительного метода измерений.

Метод горячего диска

Метод нестационарного планарного источника, также называемый методом горячего диска, подходит для измерения теплопроводности тонких образцов, таких как пленки УНТ. В этом методе изолированный датчик располагается между двумя идентичными частями образца и одновременно представляет собой источник тепла и термометр. Теплопроводность описывается формулой 6.{{{\ raise0.7ex \ hbox {$ 3 $} \! \ mathord {\ left / {\ vphantom {3 2}} \ right. \ kern-0pt} \! \ lower0.7ex \ hbox {$ 2 $}} }} rK}} D \ left (\ tau \ right) $$

(6)

, где α, – коэффициент температуропроводности, tm – время измерения переходного процесса, r, – радиус датчика, P – входная мощность нагрева и D (τ) – функция Бесселя [8]. Время и входная мощность выбираются таким образом, чтобы тепловой поток находился в пределах границ образца и чтобы на внешние границы образца не влияло повышение температуры датчика.

Бесконтактные методы

Метод частотной области

Метод частотной области – это группа методов измерения, в том числе согласно Abad et al. [54], среди прочего, анализ лазерной вспышки, метод термоотражения и фототермический метод. Все варианты этого метода основаны на нагреве образца лазерным лучом с модулированной частотой и регистрации тепловых волн и периодического распределения температуры. Кроме того, этот метод зависит от соотношения между температуропроводностью и частотой модуляции лазера, как описано Формулой 7.

$$ \ mu = \ sqrt {\ frac {\ alpha} {\ pi f}} $$

(7)

, где µ, – глубина термического проникновения, α, – коэффициент температуропроводности, а f – частота модуляции.

Анализ лазерной вспышки (LFA), также называемый методом лазерной вспышки, был впервые описан Parker et al. [50]. Этот метод позволяет определять температуропроводность материала. Измерение заключается в облучении одной стороны образца импульсной лампой, обычно ксеноновой, и одновременном измерении изменения температуры на другой стороне образца с помощью ИК-детектора.Схема измерения представлена ​​на рис. 9.

Рис. 9

Перепечатано из An et al. [105] с разрешения Elsevier

Схема установки для измерения LFA.

График зависимости температуры тыльной стороны от времени. Значение температуропроводности обычно определяется путем подгонки данных к различным моделям с учетом граничных условий измерительной установки.

Этот метод описывается с использованием следующей формулы 8.

$$ \ alpha_ {0.{2} t_ {0.5}}} $$

(8)

, где t _0,5 – время, за которое задняя часть образца достигает полувысоты при повышении температуры, α _0,5 – расчетный коэффициент температуропроводности с использованием t _0,5 и l – толщина образца.

Уравнение основано на следующих предположениях:

1. 1.

   тепловой поток одномерный;

2. 2.

   поглощение энергии происходит мгновенно, так как ширина импульса падающего лазера пренебрежимо мала по сравнению с характерной длительностью прохождения теплового потока через образец,

3. 3.

   лазер не проникает внутрь образца,

4. 4.

   измеренных параметра (α и Cp) сильно зависят от температуры,

5. 5.

   поверхности образцов имеют незначительные тепловые потери.

Метод термоотражения (также называемый фазочувствительным переходным методом термоотражения PSTTR) был впервые описан Ohsone et al.[51] для твердых образцов. Этот метод заключается в облучении образца на поверхности мощным лазером, который вызывает периодические колебания температуры. Другой лазер меньшей мощности облучает образец напрямую. Интенсивность отраженного сигнала и его фаза зависят от тепловых свойств образца и могут применяться для определения этих свойств, включая теплопроводность и теплопроводность материала. На рисунке 10 представлена ​​схема экспериментального массива PSTTR.

Рисунок 10

Создано на основе Panzer et al. [54]

Схема массива измерений PSTTR.

Образцы для измерения теплопроводности с использованием PSTTR готовятся путем осаждения вертикально ориентированных УНТ на кремниевую пластину с использованием метода CVD и последующего покрытия образца верхней поверхностью.

В этом методе, чтобы иметь возможность измерить образец, необходимо очень тщательно подготовить набор для измерения. По этой причине этот метод эффективно используется для оценки теплопроводности массивов, содержащих слой УНТ, который потенциально может быть применен в качестве ТИМ, поскольку, измеряя систему, мы узнаем ее общие характеристики, а не только характеристики углеродного слоя.

Эту технику также использовали Тонг и др. [52, 53]. Они провели измерения для трех образцов массива MWCNT, полученных на кремниевой пластине во время химического осаждения из паровой фазы, с использованием этилена в качестве прекурсора и Fe-катализатора. В своем исследовании, используя серию по-разному приготовленных образцов, они проверили, как верхняя поверхность влияет на результирующие значения теплопроводности. Первые образцы были приготовлены без верхней поверхности, а нагревательный лазер поглощался непосредственно на верхней поверхности MWCNT.Второй образец был получен с верхней поверхностью из стеклянной пластины, а последний включал поверхность из слоя индия, который термически сваривал MWCNT на стекле. Было замечено, что значение теплопроводности без верхнего поверхностного слоя (244 Вт / мК) ниже, чем в случае массивов с этим слоем (265 Вт / мК и 267 Вт / мК). Кроме того, тип слоя мало влияет на проводимость.

Panzer et al. [54] провели измерения массива Al / Pd / CNT / SiO ₂ / Si.Они получили скромные значения к для УНТ (около 8 Вт / мК). Они объяснили это, представив модель переноса тепла в массиве с вертикально ориентированными УНТ на кремниевых пластинах, покрытых верхней поверхностью (рис. 11). Они также предложили простую геометрическую модель неполного теплового контакта УНТ – металл. Принимая во внимание различную длину УНТ и шероховатость пленки, можно обнаружить, что только некоторые УНТ принимают эффективное участие в переносе тепла, в то же время обеспечивая сопротивление остальным нанотрубкам.

Рисунок 11

Создано на основе Panzer et al. [54]

Диаграмма теплопроводности слоистых образцов металлизированных УНТ.

Проведенное исследование показало, что метод термоотражения эффективен для измерения проводимости слоистых массивов, содержащих углеродные нанотрубки, но для получения достоверных результатов необходимо правильно подготовить измерительный массив. В таблице 2 приведены результаты измерения теплопроводности методом термоотражения.

Таблица 2 Теплопроводность слоистых массивов со слоем УНТ

Фототермический метод был предложен Wang et al. [58] для термического анализа образцов сильно ориентированных МУНТ. Правильно приготовленный образец позволяет определить теплопроводность слоя УНТ, а также определить сопротивление термического контакта между УНТ и подложкой. Образец, анализируемый во время измерения, состоит из трех слоев. Тонкая пленка Cr на кремнии, а затем на нее наносится vaMWCNT.Подложка представляет собой кремниевую пластину из-за ее слабого поглощения инфракрасного лазерного луча и из-за того, что она прозрачна для теплового излучения слоя Cr. Структура образца представлена ​​на рис. 12. Набор образцов облучался с тыльной стороны (со стороны кремниевой пластины), и луч вызывал прямой нагрев слоя Cr и индуцировал изменение температуры на поверхности Cr. Теплопроводность вдоль УНТ тесно связана с изменениями температуры, которые чувствительны к измеренному тепловому излучению.Измеренное значение теплопроводности в осевом направлении vaMWCNT составило 0,145 Вт / мК для всей пленки и 27,3 Вт / мК для отдельной нанотрубки в этой пленке [58].

Рисунок 12

Перепечатано из Wang et al. [58], с разрешения AIP Publishing

Схема связи образца и лазерного луча в фототермической технике.

Рамановская спектроскопия

Впервые рамановская спектроскопия была использована для измерения теплопроводности материалов (в данном случае пористого кремния) Perichon et al.[60]. Облучаемый материал обладает способностью к упругому или неупругому рассеянию. Если энергия отраженного света меньше, это называется стоксовым комбинационным рассеянием, а если больше – антистоксовым комбинационным рассеянием света, и данные сдвиги характерны для данного типа материала. Температуру поверхности в месте, нагретом лазером, можно измерить одним из двух способов: во-первых, исследуя стоксов сдвиг как функцию температуры, а во-вторых, исследуя соотношение интенсивности стоксовых и антистоксовых пиков, но это сложнее. измерять.

Поскольку пики Стокса и антистоксовы пики типичны для данного измерения, анализируя их сдвиги, можно определить изменение температуры поверхности образца и использовать эти данные для определения значения теплопроводности на основе следующее соотношение (Формула 9) [61]:

$$ k = \ frac {A * P} {{l (T _ {\ text {Raman}} – T _ {\ sin k})}} $$

(9)

, где A, – поперечное сечение образца, l, – длина образца, P, – мощность лазера, T _Раман – измеренная температура и T _сток – температура радиатора.

В случае анализа образцов УНТ, заметный пик наблюдался при прибл. 1590 см ⁻¹ при комнатной температуре, так называемая G-полоса. Этот сигнал появляется во всех углеродных материалах, которые содержат sp ² связей. Для ОСУНТ полосу G можно фактически деконволюционировать на несколько отдельных пиков. В рамановском спектре УНТ могут наблюдаться сигналы G + и G−, но интенсивность G + намного выше, чем у G−, поэтому этот сигнал используется для анализа спектра.На рисунке 13 представлен спектр с отмеченным пиком G + и его видимым сдвигом с температурой для образца УНТ [62].

Рисунок 13

По материалам Sahoo et al. [62]. Печатается с разрешения автора. Copyright (2014) Американское химическое общество

Рамановские спектры УНТ со смещенным пиком G +.

Образцы обычно измеряются в термостатированной вакуумной камере. Такие условия обеспечивают ограниченное рассеяние тепла, поэтому энергия лазера в основном используется для локального нагрева образца.Уменьшение мощности лазера изменяет локальную температуру образца. К основным преимуществам этого метода можно отнести то, что измерение является бесконтактным; он не повреждает образец и не требует специальной подготовки. Кроме того, этот метод обеспечивает субмикронное разрешение, поэтому он хорошо подходит для измерения наноструктур.

Первые попытки измерить теплопроводность УНТ с помощью рамановской спектроскопии были предприняты Li et al. [63], которые использовали его для измерения тепловых свойств отдельных ОСУНТ и МУНТ и получили 2400 и 1400 Вт / мК соответственно.

Болометрический метод

Болометрический метод измерения тепловых свойств тонких (<100 нм) полупрозрачных пленок ОУНТ массой нанограмм был использован Иткисом и др. [64]. ИК-излучение использовалось в качестве источника нагрева и создавало треугольный профиль температуры вдоль образца ОСУНТ. В этом методе образец также является термометром. Образец подвешивается через открывающееся сапфировое кольцо с использованием пасты Ag, которая обеспечивает эффективный теплоотвод. Комплект помещается в криостатическую камеру под давлением <0.1 мТорр. Болометр используется для измерения фотоотклика образца на ИК-излучение. Теплопроводность в этом методе описывается формулой 10:

$$ k = \ frac {{P _ {\ text {abs}}}} {\ Delta T} * \ frac {L} {8A} $$

(10)

, где P _abs – мощность поглощенного ИК-излучения, L – длина и A – площадь поперечного сечения пленки SWCNT.

Теплопроводность сетей УНТ

Влияние общих характеристик ансамблей УНТ

Комплексное исследование, проведенное Алиевым и др.[35, 36] оказали существенное влияние на понимание влияния структуры и упорядочения нанотрубок в материалах. Они использовали метод 3-ω для проведения измерений для листов MWCNT разной длины образцов при разных температурах и разном количестве слоев [35] и для различных наборов CNT [36] – одиночных MWCNT, связанных MWCNT, а также выровненных и отдельно стоящих листов MWCNT. На рисунке 14а представлены результаты для трех типов образцов листов MWCNT разной длины: 7,6 мм, 5,4 мм и 0,37 мм, которые были отмечены красными, зелеными и синими открытыми точками соответственно.Результаты экспериментов показали, что до 150 K длина листов MWCNT не имеет значения для значения теплопроводности, что, вероятно, связано с большим уменьшением излучения. Выше 150 К было обнаружено, что значения проводимости выше для гораздо более длинных образцов, чем для коротких (рис. 6а). Они также измерили значение проводимости вдоль и поперек полученной пленки длиной 0,37 мм при температуре 295 К и получили значения на уровне 50 Вт / мК и 2.1 Вт / мК соответственно. В многослойных системах они наблюдали ухудшение теплопроводности в результате увеличения количества слоев, что представлено на рис. 14б [35]. Они объяснили низкую теплопроводность листов MWCNT двумя факторами: внутренними дефектами соответствующих нанотрубок и рассеянием на границах фононов в жгутах, составляющих основу листов MWCNT.

Рисунок 14

Перепечатано из Алиева и др. [35], с разрешения Elsevier

Теплопроводность листов УНТ зависит от длины ( a ) и количества слоев ( b ).

В своей следующей статье они сосредоточились на системах, содержащих по-разному ориентированные MWCNT – одиночные, связанные и листы. Кроме того, они предложили модель теплового потока через границу раздела труба-труба. Когда две нанотрубки находятся на расстоянии сил Ван-дер-Ваальса, тепло передается от самой внешней оболочки УНТ 1 к самой внешней оболочке УНТ 2 вдоль УНТ 2, а затем на УНТ 3 и так далее. Эта концепция была графически отображена в исследовании Qiu et al. [37]. На рисунке 15а представлена ​​схема теплообмена между оболочками соседних нанотрубок, а на рис.15b показана схема термического сопротивления в виде электрических схем замещения резисторов.

Рисунок 15

Перепечатано из Qiu et al. [37] с разрешения журнала Nature Research Journal

Схема переноса фононов между соседними нанотрубками.

Было высказано предположение, что MWCNT лучше, чем SWCNTs по теплопроводности, потому что увеличение диаметра нанотрубок сопровождается большим количеством оптических фононных мод, которые могут подвергаться возбуждению и вносить вклад в теплопроводность.В случае появления дефекта в структуре ОСНТ его влияние на свойства проводимости намного сильнее, чем в случае МУНТ. Это связано с тем, что в MWCNT соседняя оболочка может создавать новые дополнительные каналы для фононов, что невозможно в SWCNT.

В своем исследовании [36] они получили следующие значения теплопроводности для одиночных MWCNT, связанных MWCNT и пленки MWCNT: 600, 150 и 50 Вт / мК соответственно. Низкую теплопроводность можно объяснить низким структурным качеством МУНТ, полученных методом химического осаждения из паровой фазы.Путем экспериментов они доказали, что связывание снижает теплопроводность. Кроме того, теплопроводность жгута УНТ и пленки УНТ намного ниже, чем у одиночной нанотрубки, что является результатом гораздо более плохой передачи энергии между трубками, что, в свою очередь, является результатом малых площадей соединяемых поверхностей цилиндрических трубок и плохой передачи. фононов. Кроме того, они подсчитали, что лучшая теплопроводность в длинных связках УНТ появляется, когда отдельные нанотрубки перекрываются только на 2–3%.

Термические свойства нанотрубок сильно зависят от параметров синтеза. Процесс синтеза влияет на тип (SWCNT, DWCNT или MWCNT), количество дефектов в кристаллической решетке, а также на загрязняющие вещества, присутствующие в материале. Исследования влияния условий синтеза и примесей на термические свойства пленок УНТ были проведены Ивановым и соавт. [65] и Gspann et al. [46]. Они заявили, что условия синтеза можно использовать для управления физическими параметрами нанотрубок и степенью кристалличности, а также для уменьшения количества загрязняющих веществ в пленке, которые отрицательно влияют на тепловую и электрическую проводимость, поскольку они нарушают контакт между пучками.

На теплопроводность нанотрубок также влияет присутствие других нанотрубок в непосредственной близости от них. Проведенные экспериментальные исследования подтверждают приведенные выше теоретические расчеты (часть 3). В случае УНТ увеличение размера жгута снижает теплопроводность [66]. Это связано с повышенной скоростью рассеяния на соседних УНТ. Более того, были проведены исследования, которые показали, что жгут УНТ характеризуется более высокими значениями теплопроводности, чем пленки, что является следствием того, что в жгутах нанотрубки в основном параллельны, а в пленках дополнительно появляется поперечная структура, которая имеет отрицательное влияние на проводимость фононов.

Yoshida et al. [67] исследовали влияние наложения нескольких пленок и изменение анизотропных свойств таких систем. Они заметили, что увеличение количества пленок вызывает уменьшение анизотропии и увеличение теплопроводности.

В таблице 3 приведены результаты измерений для различных систем на основе УНТ.

Таблица 3 Влияние общих характеристик ансамблей УНТ

Влияние температуры

Для измерения влияния температуры на теплопроводность обычно применяются различные методы.Некоторые из них больше подходят для измерений при более низких температурах – ниже 275 К, например, сравнительные методы и PTC. Другие из-за метода измерения, например, необходимости облучения образца лазером, лучше работают при измерениях теплопроводности при температурах выше комнатной. К ним относятся LFA и измерение проводимости с помощью рамановской спектроскопии.

Чтобы правильно понять влияние температуры на теплопроводность сетей углеродных нанотрубок, сначала необходимо исследовать одиночную нанотрубку.В диапазонах самых низких температур, близких к абсолютному нулю, теплопроводность линейно увеличивается с увеличением температуры, а перенос тепла является баллистическим [70]. При дальнейшем повышении температуры теплопроводность начинает опосредоваться дополнительными фононными модами, и теплопроводность увеличивается до максимального значения (часто близкого к комнатной температуре [6, 22]). Затем с повышением температуры преобладают процессы рассеяния фотонов [10], снижающие теплопроводность.

В литературе есть многочисленные ссылки на исследования теплопроводности различных сетей УНТ: пленок, бумажных пакетов или связанных УНТ в зависимости от температуры. Исследование, проведенное Hone et al, Gonnet et al. и Pöhls et al. продемонстрировал, что пленки, полученные из УНТ, демонстрируют увеличение теплопроводности вместе с повышением температуры от около 0 К до около комнатной температуры, чего можно было ожидать при изучении изменений теплопроводности для одиночной нанотрубки.Hone et al. [12] были первыми исследователями, которые определили взаимосвязь между теплопроводностью и температурой матов высокой чистоты из спутанных однослойных углеродных нанотрубок. Они отметили, что теплопроводность плавно снижалась от 210 до почти 0 Вт / мК при понижении температуры в диапазоне от 350 К до ниже 40 К соответственно.

Вторая группа исследований, встречающихся в литературе, включает измерения, проведенные от комнатной температуры и выше. Hu et al. [33] провели исследование слоя vaCNT при двух различных температурах с использованием метода 3-ω.Они наблюдали рост теплопроводности с 74 Вт / мК (для комнатной температуры) до 83 Вт / мК (для температуры 323 К).

В последующем исследовании Zhang et al. В [71] проанализировано изменение значения теплопроводности при различных температурах объемных МУНТ, отожженных при 1600 ° C. Они наблюдали, что максимальный пик имел место при температуре 900 К, когда значение теплопроводности составляло 4,9 Вт / мК, а выше этой температуры проводимость начинала уменьшаться.

Исследования теплопроводности пленки SWCNT и определение температуры, при которой она достигает максимального значения, были выполнены Duzynska и Zdrojek et al.[72,73,74]. Они получили пленку ОСУНТ, а затем исследовали влияние повышенной температуры на изменения теплопроводности с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния света. Из их исследований следует, что теплопроводность снизилась с 26,4 до 9,2 Вт / мК в диапазоне температур от 300 до 450 К. Кроме того, они наблюдали плато с уровня 410 К. Они объяснили уменьшение значения проводимости в пленке ОСУНТ. за счет усиления процессов рассеяния фононов высших порядков с ростом температуры. В таблице 4 приведены результаты исследования коэффициента теплопроводности в зависимости от температуры, имеющиеся в литературе.

Таблица 4 Влияние температуры на теплопроводность сетей УНТ

Влияние плотности

Удельная плотность и плотность упаковки УНТ в пленке оказывают значительное влияние на значение теплопроводности сетей УНТ. Увеличение теплопроводности связано с увеличением количества спаев, что способствует переносу тепла внутри образца. В литературе представлены различные способы увеличения плотности систем из УНТ.Первый заключается в отжиге образца, что приводит к увеличению его упорядоченности и кристалличности (подробности описаны в следующем подразделе ). Другие методы заключаются в механическом увеличении упаковки УНТ в пленку, например, путем их прессования с использованием различных давлений. В таблице 5 приведены результаты исследования теплопроводности в зависимости от плотности образцов.

Таблица 5 Влияние плотности

Prasher et al. [26, 79] исследовали влияние плотности в системах толстой бумаги, где SWCNT ориентированы случайным образом.На основе формулы (1) они использовали математическое моделирование для определения теоретической стоимости своих материалов. Кроме того, они заметили, что это было на порядок больше, чем экспериментальные результаты, представленные в таблице 5.

Zhang et al. В работе [47] исследовано влияние плотности упаковки УНТ в бумагу-пленку на величину теплопроводности. В своей работе они использовали разное давление в диапазоне от 20 до 30 МПа для того, чтобы прижать образец. Плотность образцов находилась в пределах 0.От 8 до 1,39 г / см ³ . Авторы подчеркнули, что наибольшее значение плотности образца, упакованного при самом высоком давлении, очень похоже на «предельную плотность 1,58 идеальных листов бумаги, рассчитанную с помощью простой модели плотной гексагональной упаковки». Электропроводность измерялась стационарными методами, и наблюдалось увеличение с 472 до 766 Вт / мК. Исследование подтвердило, что теплопроводность увеличивается с увеличением плотности, что является результатом более высокой упаковки УНТ в образце, что, в свою очередь, приводит к более быстрой термической перколяции.

Стационарный метод также использовался Pöhls et al. [45] для исследования УНТ, полученных с помощью метода водного CVD. Теплопроводность этого образца составила 3,0 Вт / мК при комнатной температуре. Низкое значение проводимости авторы связали с малой плотностью массы.

Itkis et al. [64] применили болометрический метод для определения влияния метода подготовки пленки на термические свойства конечного продукта. Они получили два типа пленок УНТ. Первый был получен в результате самоорганизации нанотрубок на решетке из нержавеющей стали с использованием процесса электродугового разряда.(Название образца – пленка SWCNT.) Во втором методе они получали пленку с использованием вакуумной фильтрации из дисперсии SWCNT. (Название образца было pSWCNT.) Что касается метода приготовления, первая пленка продемонстрировала более низкую плотность упаковки, чем вторая. Толщина образцов aSWCNT и pSWCNT составляла 35 и 100 нм, а значения теплопроводности – 75 и 30 Вт / мК. В обеих пленках наблюдалось монотонное увеличение теплопроводности с температурой. В случае сетки пленок aSWCNT переходы характеризовались более слабым контактом, чем в pSWCNT, поэтому теплопроводность была ниже.

Kong et al. [31, 39] проанализировали трехмерную сеть углеродных нанотрубок, состоящую из vaCNT, соединенных мостиком со случайно ориентированными вторичными CNT. Эта трехмерная структура была получена в два этапа. Сначала были созданы первичные ваУНТ, а затем на эти УНТ были нанесены частицы Ni. Частицы Ni выступили катализатором и инициировали создание вторичных УНТ в последующем синтезе. В своих исследованиях они определили влияние структуры сети на значение теплопроводности, используя метод 3-ω на основе автономных датчиков.В результате разработки вторичных УНТ для 3D-системы с плотностью массива 5,6 × 10 ⁸ УНТ / см ² , теплопроводность улучшилась более чем на 55% с 9,3 до 19,8 Вт / мК. Однако, когда плотность массива увеличилась до 7,2 × 10 ⁸ УНТ / см ² , присутствие вторичных УНТ ухудшило теплопроводность по сравнению с первичным массивом УНТ. Это явление объяснили повышенной плотностью дефектов и слишком большим размером труба – труба.

Влияние отжига

Процесс получения и очистки УНТ существенно влияет на их свойства.Одним из основных факторов, влияющих на эти свойства, является процесс отжига конечного продукта, поскольку он устраняет загрязнения из материала, влияет на его внутреннее упорядочение и уменьшает количество дефектов в структуре и, кроме того, изменяет плотность, эффект который был описан выше. Исследование, проведенное Hone et al. [18, 75], Lin et al. [80] и Zhang et al. [71, 81] демонстрируют положительное влияние отжига на теплопроводность УНТ.

Hone et al.В работах [18, 75] были получены пленки из ОСУНТ, которые были ориентированы в магнитном поле и подвергнуты вакуумному отжигу при 1200 ° C. Этот фильм сравнивали с неотожженным фильмом. Они объяснили улучшение теплопроводности удалением с УНТ кислотных примесей, которые изменили механизм проводимости.

Используя LFA, Lin et al. [80] продемонстрировали, что низкая величина дефектов в одиночных нанотрубках вызывает повышенную теплопроводность и что процесс отжига влияет на степень упорядочения и уменьшение количества имеющихся дефектов.Кроме того, они обнаружили, что жгуты УНТ имеют более низкое значение теплопроводности, потому что взаимодействие трубка-трубка снижает эффективную теплопроводность отдельной УНТ.

В других работах Zhang et al. В [71, 81] описаны объемные МУНТ, полученные методом химического осаждения из паровой фазы разложением пропилена и водорода на никелевом катализаторе. После очистки полученные нанотрубки подвергались отжигу при различных температурах (1600 ° C, 1800 ° C, 2000 ° C). Они проанализировали [81] изменение структуры объемных МУНТ после отжига и обнаружили, что чем выше температура отжига, тем выше плотность, вплоть до 1.45 г / см ³ для температуры 2000 ° C. Измерения тепловых свойств дискообразных образцов МУНТ показали, что увеличение температуры отжига, т.е. плотности, вызывает увеличение значения теплопроводности с 2,8 до 4,2 Вт / мК и температуропроводности. Влияние отжига на изменение внутреннего упорядочения и увеличение плотности УНТ в сетках, а также его связь с увеличением теплопроводности также было представлено Yang et al.[82] и Иванов и др. [65]. Ян и др. [82] получили булочки из МУНТ, синтезированных методом химического осаждения из паровой фазы в присутствии Fe-катализатора. Затем они спекали обклеивающуюся бумагу при различных температурах от 500 до 1500 ° C в вакууме. Они заметили, что значение теплопроводности клеящих бумаг меняется с увеличением температуры спекания с 1,5 до 10,5 Вт / мК. В своем исследовании Иванов и соавт. [65] зафиксировали увеличение теплопроводности до 400% для vaCNT после отжига при 2800 ° C, что еще раз демонстрирует, насколько важно избегать дефектов в материале.

Результаты вышеупомянутых исследований представлены в таблице 6.

Таблица 6 Влияние отжига на теплопроводность

Влияние направления измерения и юстировки

Направление измерения с учетом направления УНТ в Образец также имеет значение, поскольку теплопроводность происходит вдоль УНТ, а не поперек них. Некоторые методы измерения, такие как LFA, основаны на приближении, что тепловой поток является однонаправленным [80].Это предположение было использовано Ли и др. [8] для измерения проводимости между плоскостями. В своих работах они также измеряли теплопроводность в плоскости с помощью метода горячего диска. Аналогичное исследование было проведено Misak et al. [83], но они провели измерения в плоскости, используя LFA, и измерения вне плоскости, используя метод горячего диска. Такой подход к обсуждению теплопроводности УНТ продемонстрировал, что, в зависимости от направления измерения, значения могут значительно отличаться и что, хотя материал является проводником в одном направлении, он может быть пограничным полупроводником / диэлектриком в другом.В обеих работах авторы показали, что теплопроводность в плоскости значительно выше, чем в плоскости. Измерение в плоскости составило 25 Вт / мК [83] и 150 Вт / мК [8], в то время как теплопроводность вне плоскости имеет одинаковое значение в обеих статьях: 0,1 Вт / мК.

Влияние направления измерения на значение теплопроводности было также указано Qiu et al. Затем они измерили значения теплопроводности для всех трех направлений: x – направление плоскости, y – поперек образца и z – в направлении толщины, что составило, соответственно, 127 Вт / мК, 42 Вт. / мК и 4 Вт / мК.Они также предположили, что haCNT заказываются более постоянно, чем Bucky paper или мат из CNT. Кроме того, они заметили, что изменение ориентации УНТ с вертикальной на горизонтальную улучшает теплопроводность в плоскости и снижает общее тепловое контактное сопротивление для haCNT.

Из проведенных исследований следует, что пленки из УНТ обладают свойствами анизотропных материалов. Величина теплопроводности вдоль УНТ намного выше, иногда даже на четыре порядка, чем в других направлениях.Эти обсуждения привели к исследованию влияния магнитного поля на упорядочение УНТ в пленках и, таким образом, к улучшению теплопроводности материалов. Такие работы описаны Fisher et al. [84] и Gonnet et al. [77]. Они использовали ОСУНТ для получения матов в магнитном поле величиной 7 и 26 Тл (группа Фишера) и 17,3 Тл (группа Гонне). Как и раньше, они продемонстрировали, что упорядочение углеродных нанотрубок с помощью магнитного поля значительно улучшает их теплопроводность.Результаты исследования приведены в таблице 7.

Таблица 7 Влияние направления измерения и выравнивания

УНТ в пленке также можно заказать механически. Одно из таких решений было предложено Wang et al. [48], которые получили лист Buckypaper с выровненными УНТ с помощью так называемого метода выталкивания домино, который продемонстрировал хорошую теплопроводность 153 Вт / мК (параллельно) и 72 Вт / мК (в поперечном направлении). Для сравнения был также получен образец бек-бумаги со случайно ориентированными нанотрубками – значение теплопроводности составило 81 Вт / мК.Они продемонстрировали, что упорядочение нанотрубок в плоскости увеличивает теплопроводность в направлении ориентации.

Переходный тепловой отклик детектора микротеплопроводности (µTCD) для идентификации газовых смесей: сверхбыстрый метод с низким энергопотреблением

На рисунке 1 представлены схемы компонентов теплопередачи от микромостового TCD. Было показано, что в отсутствие принудительной конвекции и при температурах на несколько сотен градусов выше окружающей, эффекты излучения и естественной конвекции от µTCD незначительны ¹⁴ ; в результате теплопроводность через газовую среду является доминирующим механизмом потери тепла.Из-за высокого соотношения сторон микромоста (порядка 100: 1) проводимость вдоль моста к подложке, q ₃ , меньше, чем проводимость через окружающий газ, q ₁ и кв ₂ . Кроме того, ожидается, что проводимость снизу микромоста, q ₂ , будет больше, чем проводимость сверху, q ₁ , из-за небольшого зазора между микромостом и относительно холодной подложкой.Общая основная теплопередача от моста, q ₁ + q ₂ , является функцией тепловых свойств газовой смеси. Небольшой по массе микромост подвешен в газах с низкой теплопроводностью, что позволяет ему достигать высоких температур при очень низких уровнях мощности в несколько микроватт.

Рисунок 1

Схема отвода тепла от электротермического моста.

Несмотря на то, что сложная трехмерная геометрия микромоста затрудняет получение точного аналитического решения тепловых явлений, сосредоточенный анализ системы ¹⁵ может описать взаимосвязь между откликом датчика, свойствами газа и приложенной мощностью.

Метод сосредоточенной системы включает допущение, что вариациями температуры внутри объекта можно пренебречь при тепловом анализе, если теплопроводность внутри объекта намного быстрее, чем теплопередача через границу объекта. Это разумное предположение для данного случая, поскольку теплопроводность кремниевого микромоста на три порядка больше, чем теплопроводность окружающей газовой среды. Таким образом, при термическом анализе можно не учитывать пространственные изменения температуры внутри объекта, хотя средняя температура микромоста, используемого для сосредоточенного анализа, может изменяться со временем.

В установившемся режиме учет энергетического баланса подразумевает, что скорость передачи тепла от сосредоточенного твердого объекта равна скорости выделения тепла внутри объекта. Для микромоста с высоким соотношением сторон это можно записать как:

, где Q˙ – скорость тепловыделения в микромосте, k _f – теплопроводность окружающей жидкости, A – площадь поверхности моста, dTfdy | wall – градиент температуры газовой среды на внешней поверхности моста.Подставляя температуру микромоста, температуру окружающей среды T _∞ и характеристическую длину проводимости, L , мы можем записать:

(1) Q˙ = kfAdTfdx | wall≈kfA (T − T∞) L

Левая часть уравнения (1) представляет рассеиваемую электрическую мощность I ² R , где I – электрический ток, а R – сопротивление. Для легированного кремния температурная зависимость сопротивления может быть описана линейной моделью как:

, где R ₀ – сопротивление проводника при эталонной температуре T _ref и α – температура удельного сопротивления. коэффициент.Для упрощения анализа, давайте выберем T _ref = T _∞ , а затем заменим Q Equ в уравнении (1) на рассеиваемую электрическую мощность; тогда:

(3) I2R0 (1 + α (T − T∞)) = kfA (T − T∞) L

Как описывает уравнение (3), температура (и, следовательно, сопротивление) микромостового датчика при стационарный режим связан с теплопроводностью газовой среды при определенной входной мощности. Левая часть уравнения описывает электрические явления и зависимость первого порядка от температуры; правая часть представляет потери теплопроводности и пропорциональна средней температуре микромоста.Из этого уравнения изменение температуры в микромосте может быть получено как:

(4) 1T − T∞ = kfI2R0 (AL) −α

Таким образом, в установившемся режиме изменение средней температуры микромоста будет обратным. пропорциональна эффективной теплопроводности окружающего газа.

В переходном состоянии (то есть вскоре после того, как на датчик подается скачок электрического тока), температура микромоста повышается с T _∞ до горячей установившейся рабочей температуры.Путем добавления переходного члена уравнение (3) расширяется до:

(5) I2R0 (1 + α (T − T∞)) = ρVCpdTdt + kfA (T − T∞) L

, где ρ – плотность микромоста, который служит доминирующей тепловой массой в системе.

Температурное решение с временным разрешением получается из уравнения (5) как:

(6) T − T∞ = I2R0kfA / L − αI2R0 (1 − e − t / τ)

, где τ – время постоянная нагрева и определяется как:

(7) 1τ = kfA / L − αI2R0ρVCp

Этот анализ показывает, что постоянная времени нагрева обратно пропорциональна теплопроводности газовой смеси и потребляемой мощности.Термин ρVC _p представляет общую тепловую емкость системы и состоит из двух частей: этой тепловой массы твердого материала ρ _с V _с C _с и тепловая масса газовой среды ρ _г V _г C _г . Однако считается, что тепловая масса твердого моста намного больше, чем масса окружающего его газа.Параметр k _f – это эффективная теплопроводность газовой среды, которая отвечает за большую часть тепла, теряемого мостом. Часть тепла передается по мосту к твердой подложке; в результате теплопроводность твердого тела, k _s , играет роль. По аналогии с электрическими цепями на рисунке 2 представлена ​​модель тепловой цепи для микромостового датчика в виде сосредоточенной системы и показано, как свойства твердых тел и газов могут влиять на отклик датчика.Резисторы представляют собой тепловое сопротивление газа и твердого материала, а конденсаторы представляют собой тепловую емкость системы.

Рисунок 2

Тепловая цепь микромостового датчика как сосредоточенная система; нижний индекс «s» указывает на свойства твердого материала, а «g» соответствует свойствам окружающего газа.

Измерители теплопроводности | Нормандальский общественный колледж

Фила Дэниэлсона

Манометры теплопроводности чрезвычайно распространены в вакуумной технике, но понимание их принципов измерения и работы может помочь в их правильном применении.

Измерение давления является необходимостью практически для всех вакуумных процессов и практикующих специалистов, но существует так много различий в диапазонах давления и степени требуемой точности и прецизионности, что невозможно определить единственный тип манометра, который будет использоваться для все. Приложения могут варьироваться от простого мониторинга всего или части цикла откачки, тщательного измерения строгого предельного давления до измерения и контроля критического технологического газа. Однако есть два типа датчиков, которые, вероятно, являются наиболее часто используемыми из многих доступных типов датчиков: ионизационные датчики и датчики теплопроводности.

Процесс высокого вакуума должен быть обеспечен замерами, которые следует за циклом откачки от атмосферного давления через объемную зону в зону осушки. Датчик теплопроводности может отслеживать давление на всем протяжении всей объемной зоны, но когда система переходит в зону осушки ниже примерно 10 ^-3 торр, где водяной пар становится преобладающим остаточным газом, требуется датчик ионизации. В общем, за исключением некоторых модификаций манометра с расширенным диапазоном, эти два манометра вместе могут использоваться для охвата полного цикла откачки.Вот почему так много электронных контроллеров манометров объединяют оба типа манометров в одном устройстве.

Схема датчика Пирани

(Слева) Схематическое изображение датчика термопары: чувствительный элемент с нагретой проволокой является одной из опор моста Уитстона, и когда температура провода изменяется в ответ на изменения давления, мост выходит из равновесия, чтобы обеспечить аналог считывания давления.	(справа): чувствительный элемент с нагретой проволокой изменяет температуру в ответ на изменение давления, а термопара измеряет температуру проволоки.

Теплопроводность и давление

Горячий провод, помещенный в оболочку, будет передавать тепловую энергию от проволоки к любым молекулам газа, которые с ней соприкасаются, и эта энергия снова будет передаваться стенкам оболочки. При непрерывном движении молекул газа тепловое равновесие будет достигаться, пока количество молекул газа (давление) остается постоянным. Однако если давление изменится и провод будет резистивно нагрет током от источника постоянного тока, будет достигнуто новое тепловое равновесие, и температура провода изменится, чтобы отразить новое количество молекул газа, которые могут уносить тепло. из проволоки.Это означает, что температуру провода можно использовать как показатель давления внутри оболочки.

Это основной принцип всех датчиков теплопроводности. Изменение давления в зависимости от температуры проволоки остается довольно линейным в диапазоне давлений примерно 10 ^-3 – 1 торр. Ниже этого диапазона теплопередача происходит в основном за счет излучения от поверхности провода и в основном за счет тепловой конвекции над ней. Датчики теплопроводности, охватывающие этот диапазон, используются в течение многих лет и делятся на две основные группы: датчики с термопарами и датчики Пирани.

Манометры для термопар

Термопары

, как следует из названия, используют термопару, прикрепленную к горячему проводу, для измерения его температуры. Если, например, датчик термопары используется для контроля цикла откачки, проволока будет становиться все горячее и горячее по мере падения давления и все меньше и меньше молекул будет доступно для передачи тепла от проволоки.

Тепло также передается потоком через провод термопары и опорные / проходные штифты для горячей проволоки.

Это означает, что вся чувствительная матрица должна быть сконструирована из проводящих металлических проводов с минимально возможным диаметром, чтобы избежать чрезмерных потерь тепла. Эта проблема становится более острой при самых низких давлениях манометра, когда проволока находится в самом разогретом состоянии. Поскольку нагретая проволока в большинстве термопреобразователей должна работать при максимальных температурах от 200 до 300 ° C, она сделана из благородного металла, такого как платина, во избежание проблем с окислением.

При самых низких давлениях горячая проволока часто подвергается воздействию паров масла, если используются механические насосы с масляным уплотнением.Пары масла могут либо трескаться, оставляя нагар, либо полимеризоваться, оставляя на проводе слой теплоизоляции. Поскольку скорость обратного потока масла в насосе максимальна при низких давлениях, это может стать серьезной проблемой, поскольку приведет к изменению калибровки манометра. Хотя иногда можно очистить датчики промыванием растворителями, успех отнюдь не гарантирован. Растворители могут не полностью удалять покрытия, и решетки электродов должны быть достаточно деликатными, чтобы брызги жидкости могли легко вызвать механические повреждения.Необходимая деликатность также означает, что они не выдержат ударов при неправильном обращении, например, свободного падения на бетонный пол.

Манометры термопар

откалиброваны таким образом, что температура провода отображается как показание давления. Это позволяет учитывать такие проблемы, как колебания теплового потока через поддерживающие электроды. Одна проблема, для которой невозможно откалибровать, основана на том факте, что проволока должна изменять температуру при изменении давления. Несмотря на то, что характеристики теплоемкости и теплового потока сенсорной матрицы сведены к минимуму, существует некоторое время запаздывания, связанное с изменениями температуры в ответ на изменения давления.В большинстве случаев это не проблема, но быстрые изменения давления, которые могут быть обнаружены при быстрой откачке или обратной засыпке, могут привести к значительным задержкам во времени реакции.

Манометры Пирани

Манометры Пирани

также учитывают изменение температуры нагретого провода, но в отличие от термопар, они не измеряют температуру провода напрямую. Вместо этого они используют тот факт, что сопротивление металлической проволоки изменяется в зависимости от температуры проволоки. Если нагретый провод выполнен в виде одной опоры моста Уитстона с балансирующей опорой, подверженной воздействию температуры окружающей среды в качестве компенсатора, и оба они установлены против двух постоянных резисторов, симметричная схема выйдет из равновесия при изменении провода датчика. сопротивление при изменениях давления, которые изменяют температуру проволоки.Датчики Пирани, как правило, работают с нагретым проводом, который намного холоднее (120-200 ° C), чем датчик термопары, и это снижает вероятность их загрязнения маслом механического насоса.

Датчики Пирани

, которые нагреваются постоянным током, обычно имеют более быстрое время отклика, чем датчики термопары, из-за таких различий, как меньшие электроды. Многие современные датчики сейчас работают в режиме постоянной температуры. Отдельная схема постоянно меняет потребляемую мощность, чтобы поддерживать постоянное сопротивление датчика.Это дает полное время отклика в миллисекундах.

Чувствительность к газам

И термопары, и датчики Пирани имеют общую потенциальную прикладную проблему, заключающуюся в том, что они оба имеют сильно различающуюся чувствительность к конкретным измеряемым газам. Это связано с большими вариациями теплопроводности, которые отображают разные газы. Поскольку эти манометры чаще всего используются для контроля откачки от атмосферного давления, это редко является проблемой, но может стать проблемой, если требуются тщательные измерения давления конкретного газа.Когда измеряемый газ известен, большинство коммерческих устройств будут снабжены калибровочными таблицами, кривыми или коэффициентами, позволяющими преобразовать показания давления. Если показания давления чрезвычайно точны, например, для технологического газа, было бы лучше рассмотреть емкостной манометр, который одинаково реагирует на все газы.

Улучшение конвекции

Хотя ранние датчики теплопроводности были ограничены диапазоном высокого давления ниже примерно 1 торр, поскольку теплопередача сместилась с теплопроводности на конвекцию при более высоких давлениях, новые датчики решили эту проблему.Сейчас доступно множество манометров, которые расширили свой диапазон до атмосферного давления. Для учета изменений температуры проволоки из-за конвективного движения газа применялись различные методы. В этот список входят компенсационные электроды и расстояние, которое достаточно мало, чтобы исключить конвективное движение. Во многих случаях методы улучшения требуют, чтобы трубки были установлены в определенном положении для учета движения газа в более высоком диапазоне.

Расширение диапазона также привело к дополнительной проблеме специфической чувствительности к газам.Если манометр используется для заполнения камеры до атмосферного давления тяжелым газом, таким как аргон, показания, откалиброванные для азота, будут настолько низкими, что в камере будет повышенное давление задолго до того, как будет отображаться атмосфера, и очевидная проблема безопасности полученные результаты.

Приложения

Как и все вакуумные приборы, датчики теплопроводности чувствительны к применению. В общем, эти устройства лучше всего подходят для контроля цикла откачки. Они недорогие и надежные, но, как правило, они не обладают точностью, необходимой для точного измерения технологических газов.Их различный отклик на различные газы делает их хорошими практическими детекторами утечек, поскольку другой зондовый газ, кроме воздуха, например гелий, будет давать внезапную и большую разницу в показаниях. Правильное применение может сделать их очень полезными устройствами

Перепечатано с разрешения журнала R&D, , все права защищены. Деловая информация Cahners.

Укороченная версия появилась в журнале R&D Magazine, октября 2004 г.

Детектор теплопроводности (ДТП) | HiQ

Теплопроводность (TCD) – широко используемый детектор в газовой хроматографии.TCD работает за счет наличия двух параллельных трубок, содержащих газовые и нагревательные змеевики. Газы исследуются путем сравнения скорости потери тепла нагревательными змеевиками в газ. Обычно в одной трубке содержится эталонный газ, а исследуемый образец пропускается через другую. Используя этот принцип, TCD определяет изменения теплопроводности выходящего из колонны потока и сравнивает его с эталонным потоком газа-носителя. Большинство соединений имеют теплопроводность намного меньше, чем у обычных газов-носителей водорода или гелия.Следовательно, когда аналит элюируется из колонки, теплопроводность вытекающего потока снижается, и создается детектируемый сигнал. Гелий традиционно является предпочтительным газом-носителем, но по мере изменения лабораторных тенденций Linde также может предложить водород в качестве альтернативы гелию в качестве газа-носителя для приложений GC-TCD.

В то время как пламенно-ионизационный детектор (FID) может обеспечить очень хорошее разрешение, TCD является хорошим детектором общего назначения для начальных исследований с неизвестным образцом, поскольку он реагирует на все соединения благодаря тому, что все соединения, органические и неорганические, имеют отличается теплопроводностью от гелия.TCD также используется для анализа постоянных и неорганических газов (например, аргона, кислорода, азота, диоксида углерода, монооксида углерода, диоксида серы), поскольку он реагирует на все эти вещества, в отличие от FID, который не может обнаруживать соединения, не содержащие углерод-водородные связи.

Газовый хроматограф с детектором теплопроводности (ГХ – ТПД)

Калибровочная газовая смесь

Предел обнаружения	Рекомендуемый газ	Рекомендуемый регулятор цилиндра
≤ 100 частей на миллион	Калибровочные смеси HiQ	BASELINE C106 серии
≤ 1 частей на миллион	HiQ Калибровочные смеси	REDLINE C200 серии

.