【土木工程材料】第11章 功能材料

蓝色论文答辩PPT模板答辩学生：易宸指导老师：易老师蓝色论文答辩PPT模板土木工程材料主讲人：单位：CHAPTERELEVeN功能材料functionalmaterials1111建筑绝热材料和吸声材料都属于功能性材料，具有轻质、多孔或纤维状的特点。建筑物采用适当的绝热材料，不仅能保温隔热，还能显著降低能耗。采用良好的吸声材料，可以减轻噪声污染，保持室内良好的生活环境。

随着人们对生活质量水平的要求越来越高，节能减排理念越来越强，建筑功能性材料在未来建筑领域的发展中起着越来越重要的作用。

功能材料CHAPTERELEVEN第一节

概述11绝热材料是用于减少热传递的一种功能材料，其绝热性能决定于化学成分和（或）物理结构。在土木工程中，绝热材料主要用于墙体和屋顶的保温隔热，以及热工设备、采暖和空调管道的保温，在冷藏设备中则主要为隔热作用。功能材料CHAPTERELEVEN一.保温绝热材料11（一）绝热材料的作用机理

建筑上将起到保温、隔热作用，且导热系数≤0.175W/(m∙K)的材料统称为绝热材料。绝热材料的基本结构特征是质轻（体积密度≤600kg/m3）、多孔（孔隙率一般为50%~95%）。绝热材料除具有质轻、疏松、多孔、导热系数小的特点外，还应具有适宜的强度、抗冻性、防火性、耐热性和耐低温性、耐腐蚀性等。功能材料CHAPTERELEVEN一.保温绝热材料11（一）绝热材料的作用机理

1.热量的传递方式

热量的传递方式有导热、对流和热辐射三种。

导热是指由于物体各部分直接接触的物质质点（分子、原子、自由电子）做热运动而引起的热能传递过程。

对流是较热的液体或气体因遇热膨胀而密度减小从而上升，冷的液体或气体就补充过来，形成分子的循环流动，热量从高温的地方通过分子的相对位移传向低温的地方。

热辐射指是依靠电磁波传递热量的过程，在实际的传热过程中，往往不是一种传热方式，而是两种或三种方式并存。功能材料CHAPTERELEVEN一.保温绝热材料11一.保温绝热材料（一）绝热材料的作用机理

2.绝热材料作用机理

（1）多孔型

当热量从高温面向低温面传递时，在未碰到气孔之前，传递过程为固相中的导热。在碰到气孔后，一条路线仍然是通过固相传递，但其传热方向发生变化，总的传热路线大大增加，从而使传递速度减缓；另一条路线是通过气孔内气体的传热，其中包括高温固体表面对气体的辐射与对流给热，气体自身的对流传热，气体的导热，热气体对低温固体表面的辐射及对流给热，热固体表面与冷固体表面之间的辐射传热。功能材料CHAPTERELEVEN一.保温绝热材料11（一）绝热材料的作用机理

2.绝热材料作用机理

（1）多孔型

由于在常温下对流与辐射传热在总的传热中所占比例很小，以气孔中气体的导热为主，但空气的导热系数远远小于固体的导热系数，热量通过气孔传递的阻力较大，从而大大减缓热量的传递。功能材料CHAPTERELEVEN一.保温绝热材料11一.保温绝热材料（一）绝热材料的作用机理

2.绝热材料作用机理

（2）纤维型

纤维型绝热材料的传热过程与多孔材料类似，绝热机理与多孔材料相似，当传热方向与纤维方向垂直时的绝热性能比传热方向和纤维方向平行时要好。功能材料CHAPTERELEVEN一.保温绝热材料11（一）绝热材料的作用机理

2.绝热材料作用机理

（3）反射型

当外来的热辐射能量投射到物体上时，通常会将一部分能量反射掉，另一部分被吸收（一般建筑材料都不能穿透热射线，故透射部分忽略不计）。即：反射率高的材料，其吸收热辐射的能力就小：反之：吸收率高的材料，反射热辐射能力就小。功能材料CHAPTERELEVEN一.保温绝热材料11（二）绝热材料的性能

1.导热系数

导热系数是指通过材料本身热量传导能力的大小，受材料本身物质构成、孔隙率、材料所处环境的温度、湿度及热流方向的影响材料导热系数受自身组成物质的化学组成和分子结构影响。化学组成和分子结构比较简单的物质比结构复杂的物质有较大的导热系数。功能材料CHAPTERELEVEN一.保温绝热材料11（二）绝热材料的性能

1.导热系数由于固体物质的导热系数比空气的导热系数大得多，一般来说，材料孔隙率越大，材料的导热系数就越小。材料的导热系数除了与孔隙率有关，还与孔隙大小、分布、形状及连通状况有关。温度升高，材料中固体分子的热运动增强，材料孔隙中空气的导热和孔壁间的辐射作用也有所增加，材料的导热系数增大。功能材料CHAPTERELEVEN一.保温绝热材料11（二）绝热材料的性能

1.导热系数材料受潮吸水后，会使其导热系数增大。因为材料吸水后材料里面的水分子增加，而水的导热系数比空气的导热系数大20倍左右。对于纤维状材料，热流方向与纤维排列方向垂直时材料表现出的导热系数要小于平行时的导热系数。这是由于前者对空气的对流等起着有效的阻止作用。

功能材料CHAPTERELEVEN一.保温绝热材料11（二）绝热材料的性能

2.温度稳定性温度稳定性是指材料在受热作用下保持其原有性能不变的能力，通常通过不致丧失绝热性能的极限温度来表示。3.吸湿性吸湿性是指绝热材料在潮湿环境中吸收水分的能力。一般情况下，吸湿性越好，对绝热效果越不利。

4.强度绝热材料的机械强度与其他建筑材料一样用强度极限来表示，通常采用抗压强度和抗折强度。由于绝热材料有大量的孔隙，故其强度一般均不大，对于某些纤维材料，常用材料达到某一变形时的承载力作为其强度代表值。

功能材料CHAPTERELEVEN一.保温绝热材料11（三）常用绝热材料绝热材料按化学成分可分为有机和无机两大类：按材料的构造可分为纤维状、松散粒状和多孔状三种。通常可制成板、片、卷材或管壳等多种形式的制品。一般来说，无机绝热材料的表观密度较大，且不易腐蚀，不会燃烧，有的能耐高温；有机绝热材料则有质量轻、绝热性能好的优点，但耐热性较差。

功能材料CHAPTERELEVEN二.保温绝热材料11（三）常用绝热材料

1.硅藻土

硅藻土由水生硅藻类生物的残骸堆积而成。硅藻是一种水生植物，由硅藻壳组成，硅藻壳的大小在5~400μm之间，每个硅藻壳内都包含有大量极细小的微孔。硅藻土的孔隙率在50%～80%，具有良好的保温绝热性能。硅藻土的导热系数λ=0.060W/(m∙K)，最高使用温度约为900℃。功能材料CHAPTERELEVEN二.保温绝热材料11（三）常用绝热材料

1.硅藻土

硅藻土是一种天然材料，不含有害化学物质，许多以硅藻土为原料的新型室内外涂料、装修材料越来越受到消费者的青睐。硅藻土涂料添加剂产品，具有孔隙度大、吸收性强、化学性质稳定、耐磨、耐热等特点，提供优异的表面性能和附着力，能使涂膜缩短干燥时间，还可减少树脂的用量，降低成本。功能材料CHAPTERELEVEN二.保温绝热材料11（三）常用绝热材料

2.膨胀蛭石

蛭石是一种复杂的镁、铁含水铝硅酸盐矿物，由云母矿物经风化而成，具有层状结构。将天然轻石经破碎、预热后快速通过烧带可使蛭石膨胀20~30倍，得到膨胀蛭石，表观密度可降到87~900kg/m3，导热系数λ=0.046~0.070W/(m∙K)，最高使用温度1000~1100℃，具有很强的保温隔热性能。功能材料CHAPTERELEVEN二.保温绝热材料11（三）常用绝热材料

2.膨胀蛭石

膨胀蛭石除可直接用于填充材料外，还可用于胶结材料，将膨胀蛭石与水泥、水玻璃等胶凝材料配合，制成膨胀蛭石制品，用于墙、楼板和屋面板等构件。功能材料CHAPTERELEVEN二.保温绝热材料11（三）常用绝热材料

3.膨胀珍珠岩

珍珠岩是地下喷出的熔岩在地表水中急冷制成的，将珍珠岩经破碎、预热后，快速通过煅烧带，使珍珠岩体积膨胀约20倍，得到呈蜂窝泡沫状的白色或灰白色颗粒，得到膨胀珍珠岩。功能材料CHAPTERELEVEN二.保温绝热材料11（三）常用绝热材料

3.膨胀珍珠岩膨胀珍珠岩是一种高性能的绝热材料，常温导热系数为0.0245~0.175W/(m∙K)，最高使用温度可达800℃，最低使用温度为-200℃，具有吸湿小、无毒、不燃、抗菌、耐腐蚀的特点，在建筑上广泛使用于低温及超低温保冷设备，热工设备等。功能材料CHAPTERELEVEN二.保温绝热材料11（三）常用绝热材料

3.膨胀珍珠岩

在正常使用条件下，如遇干燥、严寒、高温、潮湿、电化腐蚀或昆虫、真菌藻类生长，以及因锯齿动物的破坏、物体撞击等侵袭，都不致造成损害，大大地延长建筑物的使用寿命，其保温材料的使用年限与建筑物同寿命。功能材料CHAPTERELEVEN二.保温绝热材料11（三）常用绝热材料

4.泡沫混凝土

常泡沫混凝土常用机械方法将泡沫剂水溶液制成泡沫，再将泡沫加入到含硅质材料、钙质材料、水及各种外加剂等组成的料浆中，经混合搅拌、浇注成型、养护而成的一种多孔材料。功能材料CHAPTERELEVEN二.保温绝热材料11（三）常用绝热材料

4.泡沫混凝土由于泡沫混凝土中含有大量封闭的细小孔隙，因此具有良好的热工性能，即良好的保温隔热性能，泡沫混凝土的表观密度为300~1200kg/m3，导热系数为0.082~0.186W/(m∙K)，热阻为普通混凝土的10~20倍。功能材料CHAPTERELEVEN二.保温绝热材料11（三）常用绝热材料

4.泡沫混凝土泡沫混凝土以其良好的特性，广泛应用于节能墙体材料中。目前，泡沫混凝土在我国的应用主要是屋面泡沫混凝土保温层现浇、泡沫混凝土面块、泡沫混凝土轻质墙板等。功能材料CHAPTERELEVEN二.保温绝热材料11（三）常用绝热材料

5.微孔硅酸钙

泡沫微孔硅酸钙制品由硬钙石型水化物，增强纤维等原料混合，经模压高温蒸氧工艺制成瓦块或板（图11-5）。产品具有耐热度高、绝热性能好、强度高、耐久性好、无腐蚀、无污染等优点。表观密度约为230kg/m3，热导率为0.047W/(m∙K)，最高使用温度约为650℃。功能材料CHAPTERELEVEN二.保温绝热材料11（三）常用绝热材料

5.微孔硅酸钙微孔硅酸钙制品常用于化工设备和工艺管道的保温，增加了保温材料的性能，提高了管道的使用寿命，其使用性能比较稳定，特别是用在工业炉和高温反应器的保温上。功能材料CHAPTERELEVEN二.保温绝热材料11（三）常用绝热材料

6.泡沫玻璃

泡沫玻璃是由碎玻璃、发泡剂、改性添加剂和发泡促进剂等，经过细粉碎和均匀混合后，再经过高温熔化，发泡、退火而制成的无机非金属玻璃材料。由于这种材料具有防潮、防火、防腐的作用，加之玻璃材料具有长期使用性能不劣化的优点，被广泛用于墙体保温、石油、化工、机房降噪、高速公路吸音隔离墙、电力、军工产品等。功能材料CHAPTERELEVEN二.保温绝热材料11（三）常用绝热材料

7.矿物棉

矿物棉是由矿物原料制成的蓬松状短细纤维。具有不燃、不霉、不蛀等性能，可做成毯、垫、绳、板等，可用作吸声、减震、隔热材料。包括岩棉和矿渣棉，其表观密度为45~150kg/m3，导热系数为0.049~0.44W/(m∙K)，最高使用温度为600℃。岩棉制品在建筑上可用于钢结构、混凝土和砖石结构的屋面、外墙、隔墙和幕墙的保温以及高温管道保温。功能材料CHAPTERELEVEN二.保温绝热材料11（一）吸声材料的作用机理声音来源于物体的振动，声音在传播过程中，一部分由于声能随着距离的增大而扩散，另一部分则因空气分子的吸收而减弱。当声波遇到材料表面时，大多数材料都有一定的吸声作用，材料吸声性能的优劣常用吸声系数表示。吸声系数（A）表示材料吸声性能大小的量值，是指声波遇到材料表面时被吸收的声能（E）与入射声能（E0）之比，用下式表示。功能材料CHAPTERELEVEN三.吸声与隔声材料11（一）吸声材料的作用机理

假如入射声能的60%被吸收，其余的40%被反射，则该材料的吸声系数A就等于0.6。当人射声能（E0）100%被吸收，无反射时，吸收系数等于1。一般材料的吸声系数在0~1之间，材料的吸声系数越高，吸声效果越好。功能材料CHAPTERELEVEN三.吸声与隔声材料11（一）吸声材料的作用机理

吸声材料的种类很多，多孔材料是普遍应用的吸声材料，多孔性吸声材料具有大量内外连通的微孔，通气性良好。当声波入射到材料表面，很快顺着微孔进入材料内部，孔隙内空气分子受到摩擦和黏带阻力，或使细小纤维作机械振动，而使声能转变为热能，这类材料吸声的先决条件是声波在材料内部和表面都易于进入微孔。功能材料CHAPTERELEVEN三.吸声与隔声材料11（一）吸声材料的作用机理影响多孔材料吸声效果的主要因素如下：1.材料的表观密度对同一种多孔材料（如超细玻璃纤维），当其表观密度增大（孔隙率减小）时，对低频的吸声效果有所提高，而对高频效果有所降低。2.材料的厚度增加厚度可提高低频吸声效果，而对高频吸声无大影响。功能材料CHAPTERELEVEN三.吸声与隔声材料11（一）吸声材料的作用机理影响多孔材料吸声效果的主要因素如下：3.孔隙特征

孔隙小效果好，粗大孔隙效果较差。如果材料中孔隙大部分为封闭气孔，因空气不能进入，就不能作为多孔吸声材料（如聚氯乙烯泡沐塑料），当材料表面涂刷油漆或材料吸湿时，材料孔隙就被油漆或水分堵塞，吸声效果也会大大降低。功能材料CHAPTERELEVEN三.吸声与隔声材料11（二）吸声材料的结构类型

1.多孔吸声结构

多孔吸声材料是常用的一类吸声材料，它具有良好的中、高频吸声性能。这类材料的物理结构特征是材料内部有大量的、互相贯通的、向外散开的微孔，即材料具有一定的透气性。

当声波入射到多孔材料时，引起孔隙中的空气振动。由于摩擦和空气的黏滞阻力，使一部分声能转变成热能，此外，孔隙中的空气与孔壁、纤维之间的热传导，也会引起热损失，使声能衰减。早期使用的多孔吸声材料主要为有机纤维和化学纤维制品。功能材料CHAPTERELEVEN三.吸声与隔声材料11（二）吸声材料的结构类型

1.多孔吸声结构

（1）有机纤维制品主要有棉麻植物纤维、木质纤维制品、毛毡、纯毛地毯、甘蔗纤维板、植物纤维吸声板、木丝板、稻草板等有机天然纤维材料。（2）化学纤维制品主要有聚酯纤维、腈纶棉、涤纶棉等化学纤维制品。这类纤维材料在中高频范围内具有良好的吸声性能，但是防火、防腐、防潮等性能较差，应用时受到环境条件限制。功能材料CHAPTERELEVEN三.吸声与隔声材料11（二）吸声材料的结构类型

2.薄板振动吸声结构

薄板振动吸声结构的特点是具有低频吸声特性，同时还有助于声波的扩散。建筑中常使用胶合板、薄木板、硬质纤维板、石膏板、石棉水泥板或金属板等，将它们周边固定在墙或顶棚的龙骨上，并在背后留有空气层，构成薄板振动吸声结构。功能材料CHAPTERELEVEN三.吸声与隔声材料11（二）吸声材料的结构类型

2.薄板振动吸声结构

薄板吸声共振结构在声波作用下发生振动，板振动时由于板内部和龙骨间出现摩擦损耗，使声能转变成机械振动，从而起到吸声的作用。由于低频声波比高频声波更容易激起薄板产生振动，所以具有低频吸声特性。建筑中常用的薄板振动吸声结构的共振频率在80~300Hz之间，在此共振频率附近的吸声系数最大，为0.2~0.5，而在其他频率附近的吸声系数要低一些。功能材料CHAPTERELEVEN三.吸声与隔声材料11（二）吸声材料的结构类型

3.共振吸声结构

共振吸声结构具有密闭的空腔和较小的开口孔隙，当空腔内空气收到外力刺激，会按一定的频率振动，每个共振吸声器都有一个共振频率，由于颈部空气分子在声波作用下像活塞一样进行往复运动，因摩擦而消耗声能，这就是共振吸声器的原理。功能材料CHAPTERELEVEN三.吸声与隔声材料11（二）吸声材料的结构类型

4.穿孔板组合共振吸声结构

穿孔板组合共振吸声结构具有适合中频的吸声特性。这种吸声结构与单独的共振吸声器相似，可看作是多个单独共振吸声器并联而成。穿孔板厚度、穿孔率、孔径、孔距、背后空气层厚度以及是否填充多孔吸声材料等，都会影响吸声性能。这种由穿孔的胶合板、硬质纤维板、石膏板、石棉水泥板、铝合板、薄钢板等固定在龙骨上，并在背后设置空气层的吸声结构，在建筑施工中使用较为普遍。功能材料CHAPTERELEVEN三.吸声与隔声材料11（二）吸声材料的结构类型

5.柔性吸声结构

柔性吸声结构是用具有密闭气孔和一定弹性的材料，如聚氯乙烯泡沐塑料，表面是多孔材料，但因其内部有密闭气孔，声波引起的振动不是直接传递至材料内部，只能相应产生振动，在振动过程中由于克服材料内部的摩擦而消耗声能，引起声波衰减。这种材料的吸声特性是在一定的频率范围内出现一个或多个吸收频率。功能材料CHAPTERELEVEN三.吸声与隔声材料11（二）吸声材料的结构类型

6.悬挂空间吸声结构

悬挂空间吸声结构是一种空间吸声体，声波与吸声体的两个或两个以上表面接触，增加了有效的吸声面积，产生边缘效应，再加上声波的衍射作用，天大提高了吸声效果。在实际应用过程中，可根据不同的使用部位和要求，设计出符合要求的各种悬挂空间吸声结构。功能材料CHAPTERELEVEN三.吸声与隔声材料11（二）吸声材料的结构类型

7.帘幕吸声结构

帘幕吸声结构是用具有通气性能的纺织品，安装在离开墙面或窗洞一段距离处，背后设置空气层。这种吸声体对中、高频都有一定的吸声效果。帘幕的吸声效果还与所用材料的种类有关，其安装拆卸方便，兼具装饰作用，应用价值高。功能材料CHAPTERELEVEN三.吸声与隔声材料11（三）常用吸声材料

1.聚酯纤维吸声板聚酯纤维吸声板是由聚酯纤维热压而成的，而聚酯纤维的本身是用聚对苯二甲酸乙二醇酯制成的，是当前非常普遍的一种合成纤维。聚酯纤维吸声板是一种多孔材料，材料内部有大量微小的连通的孔隙，声波沿着这些孔隙可以深入材料内部，与材料发生摩擦作用将声能转化为热能，属于多孔吸声材料。该种类型的吸声板吸声系数较好，吸声系数能到达0.9以上，但是价格相对较贵。功能材料CHAPTERELEVEN三.吸声与隔声材料11（三）常用吸声材料

2.木质穿孔吸声板木质穿孔吸声板是根据声学原理加工而成，由饰面、芯材和吸声薄毡组成的一种木质吸声材料。木质穿孔吸声板可分为孔木吸声板和槽木吸声板。孔木吸声板是一种在人造板的正面、背面都开圆孔的结构吸声材料：槽木吸声板是一种在人造板的正面开槽、背面穿孔的狭缝共振吸声材料。常见的木质穿孔吸声板基材可分为中密度纤维板、胶合板、定向创花板（欧松板）、普通创花板及集成指接板等。功能材料CHAPTERELEVEN三.吸声与隔声材料11（三）常用吸声材料

2.木质穿孔吸声板

木质穿孔装饰吸声板一方面表面美观富有装饰效果；另一方面又具有良好的吸声特性。木质穿孔装饰吸声板特别适用于音乐厅、影剧院、电影院、多功能厅、广播录音室、专业吸音室、歌舞厅、法院、审判庭厅以及体育馆等有声学设计要求的工程装修。功能材料CHAPTERELEVEN三.吸声与隔声材料11（三）常用吸声材料

3.水泥木丝板

水泥木丝板属于环保型绿色建材，由水泥作为交联剂，木丝作为纤维增强材料，加入部分添加剂经压制而成的板材。水泥木丝吸声板的吸声系数一般在0.6左右，实用性广、性能优异，不但具有一定的吸声效果，而且耐腐、耐热、耐蚁蚀、易加工，与水泥、石灰、石膏配合性好、绿色环保等多种优点。功能材料CHAPTERELEVEN三.吸声与隔声材料11（三）常用吸声材料

3.水泥木丝板

目前，木丝板主要用于公共场所的吸声与装饰，如影剧院、体育馆、会议室、候车室等：用于消音降噪，如高速公路的噪声屏障、工业机房降噪机等。功能材料CHAPTERELEVEN三.吸声与隔声材料11（三）常用吸声材料

4.聚氨酯泡沫塑料

聚氨酯泡沫塑料（PUF）是一种新型系列化吸声材料，按照气孔形式不同分为闭孔型和开孔型两类。闭孔聚氨酯泡沫主要用于隔热保温，开孔的则用于吸声。PUF无臭、透气、气泡均匀、耐老化、抗有机溶剂侵蚀，对金属、木材、玻璃、砖石、纤维等有很强的黏合性。特别是硬质聚氨酯泡沐塑料还具有很高的结构强度和绝缘性。功能材料CHAPTERELEVEN三.吸声与隔声材料11（三）常用吸声材料

4.聚氨酯泡沫塑料目前我国已开发生产了阻燃聚氨酯泡沫塑料板。该产品正面有一层不影响吸声的阻燃薄膜覆盖，防止灰尘和油水浸入堵塞泡孔；反面涂有不干胶，安装时可直接粘贴。聚氨酯泡沐塑料板是一种性能良好的强吸声体，具有阻燃性好、容重轻、耐潮、易于切割和安装方便等特点，适用于机电产品的隔声罩，吸声屏障空调消声器、工厂吸声降噪等工程。功能材料CHAPTERELEVEN三.吸声与隔声材料11（四）隔声材料

隔声材料是指把空气中传播的噪声隔绝、隔断、分离的一种材料、构件或结构。对于隔声材料，要减弱透射声能，阻挡声音的传播，就不能如同吸声材料那样多孔、疏松、透气，相反它的材质应该是重而密实的，如钢板、铅板、砖墙等一类材料。材料一侧的入射声能与另一侧的透射声能相差的分贝数就是该材料的隔声量，通常以符号dB表示。隔声量越大，说明材料的隔声性能越好。功能材料CHAPTERELEVEN三.吸声与隔声材料11（四）隔声材料

1.隔声材料的隔声规律（1）质量定律隔墙隔声材料存在一个普遍的规律，即材料越重（面密度或单位面积质量越大），隔声效果越好。对于单层密致匀实墙，面密度每增加一倍，隔声量在理论上增加6dB，