气凝胶蜂窝板在高寒地区营房建设中应用与性能分析及粘接工艺

苗星星，高璇怡，张晓瑜，陈 振，刘 健，吴佳莹

(中国人民解放军32317部队，新疆 乌鲁木齐 830042)

气凝胶指的是多孔多功能材料，保温隔热性能良好，在室温下的气凝胶导热系数为0.0311 W/(m·K)，即便是在高温高湿环境中，也具有0.0486 W/(m·K)的低导热系数[1]，气凝胶具有优良的性能。气凝胶复合材料的孔隙率比较高、导热系数比较低等，但是抗压性能不好[2]。为了解决力学性能比较差的问题，国内外研究人员利用添加纤维、遮光剂的方法进行改良，进一步加强复合气凝胶材料的研发，将气凝胶材料与其他材料合理结合，有效增强材料使用性能，弥补气凝胶材料的不足。纸蜂窝的质量比较轻，能够实现回收处理，属于新型的环保材料，具有明显的承压、隔热和自重轻等优势。探讨气凝胶蜂窝板保温材料在野外营房建设中应用，有较好的发展前景。

1 气凝胶蜂窝板保温材料的性能分析

1.1 试验材料分析

SiO2气凝胶：粒径为50 μm，导热系数为0.021 W/(m·K)；聚氯乙烯塑料薄膜；挤塑聚苯乙烯泡沫塑料板，导热系数为0.036 W/(m·K)。导热系数使用热常数分析仪实现测试[3]。

1.2 复合板制作流程与粘接工艺

1.2.1气凝胶蜂窝板制作的流程

通过AutoCAD绘制图纸，实现框架平面的创建，设置为20 cm×20 cm，通过平米昂定点排布蜂窝孔，通过间隙大小的改变绘制不同孔隙率的图纸，最终使用的图纸孔隙率为2.5、3.5、4.0与5.0 mm。利用激光雕刻机打孔，设置气凝胶蜂窝板骨架的切割速度为60 mm/s，激光功率20 W[4]。

1.2.2粘接工艺

使用热熔胶枪根据一行行的间隔板涂抹热熔胶，因为温度降低会对热熔胶粘接效果造成影响，可以使用单行粘接实现粘接[5]。使热熔胶枪根据框架单行涂抹热熔胶，在整体框架覆盖塑料薄膜，轻按粘接处，充分粘接框架和热熔胶；

在孔洞中倒入适量的气凝胶，并且不同孔中气凝胶的用量要均匀，轻微振荡1 min后添加，直到全部孔洞气凝胶全部填充完成[6]。在进行填充的时候要求每个蜂窝孔覆盖并且对边框敲击，覆盖气凝胶沉淀，重复2～3次后将框架面中多余气凝胶清理后在另外一面密封完成粘接。

1.3 试验方案的设计

1.3.1气凝胶蜂窝板的导热系数

不同孔隙率的骨架模型如图1所示。制作这4种规格不同的气凝胶蜂窝板，通过热流技法测试导热系数，试验板材尺寸：20 cm×20 cm。气凝胶蜂窝板为试验组，XPS挤塑板为对照组。在测试过程中，每块板材使用2组一样测试参数[7]，模型参数如表1所示。

图1 不同孔隙率的骨架模型Fig.1 Skeleton models with different porosity

表1 模型参数Tab.1 Model parameters

1.3.2隔热性能测试的流程

将气凝胶蜂窝板设置到恒温热板中，热板的面积设置为25 cm×24 cm，温度设置为45 ℃，气凝胶蜂窝板的表面不和空气接触[8]。在试验过程中使用八个热电偶对气凝胶蜂窝板的表面温度进行测试。利用两个热电偶对恒温热板表面温度进行测试，通过两个热电偶测试恒热板的表面温度，根据两个热电偶空气凝胶蜂窝板测试表面周围环境温度。为了避免外边界辐射的影响，使用锡纸将探头包裹[9]。

使用安捷伦数据采集仪对温度数据进行收集，根据平板式织物保温仪进行测试。将实验板设置到保温仪热板中，设置热板初始温度值为 (45±0.5)℃，设置板材表面周围的空气温度为(22±0.5)℃，每隔10 s都要读取数据，30 min为一个测试时间[10]。

2 试验结果分析

2.1 热防护系统温度场的分布

热防护结构温度根据厚度方向降低，因为蜂窝结构与机身蒙皮材料导热系数比较大，降低了蜂窝结构与蒙皮温度梯度，在气凝胶隔热材料层温度梯度比较大。蜂窝结构能够及时加热到最高的温度中，蜂窝夹芯板温度接近于1 000 ℃。降低隔热材料热传导系数，隔热层温度根据厚度方向线性减小，使大部分的热量隔离在热防护系统外部，温度场分布如图2所示。

图2 温度场分布Fig.2 Temperature field distribution

通过温度场分布图表示，结构中金属支架热短路效应，机身蒙皮温度分布并不均匀。在金属支架和蒙皮接触位置中，蒙皮温度最高为313 ℃，为最低温度的两倍，蒙皮支架安装孔边缘温度是最高的。在结构外表面，短时间内的温度不断上升，之后逐渐稳定。在结构内部，温度上升比较缓慢，温度在时间增加过程中不断的加快，但是温度增加速率降低[11]。

2.2 室温长时蠕变的影响

以室温长时蠕变试验表示，通过预紧力作用，气凝胶能够使出现蠕变变形行为。此时，隔热材料蠕变变形会降低预紧力。在0.05 MPa的压应力中，通过180 h能够使亲凝胶室温蠕变设置为0.105%，蠕变变形如同支架初始预防开位移比较小，只是初始张开位移1.3%，如果支架施加预紧力在弹性状态，预紧荷载降低1.3%。隔热材蠕变变形会降低TPS装配预紧力，只是降低1.3%。所以，气凝胶蜂窝板室温长时蠕变性能并不会影响到装配完整性[12]。

2.3 导热系数分析

在预试验过程中，孔径、厚度等纸蜂窝板不同，并且具有较大的，要以纸蜂窝的孔径与厚度进行单因素的实验。

2.3.1厚度的影响

为了对纸蜂窝厚度对导热系数影响进行分析，保证芯纸和面纸的克重不变的情况下，对比不同厚度纸蜂窝导热性能[13]。恒温恒湿箱温湿度环境设置为23 ℃、80%，孔径设置为10 mm的纸蜂窝测试，纸蜂窝导热系数和厚度的关系如图3所示。

图3 纸蜂窝导热系数和厚度的关系Fig.3 Relationship between thermal conductivity and thickness of paper honeycomb

从图3可以看出，纸蜂窝导热系数随厚度不断增加而增大，也就是纸蜂窝厚度越小，纸蜂窝的隔热性能就会越好。

2.3.2孔径的影响

为了对孔径是否影响到纸蜂窝导热系数，保证面纸和芯纸的克数不发生改变，对比不同孔径大小纸蜂窝导热性能。在相同环境中实现测试，测试结果如图4所示。

图4 测试结果Fig.4 Test results

从图4可以看出，纸蜂窝导热系数在孔径不断增加的过程中也在增加。纸蜂窝孔的孔径低，就会提高隔热性能。与实心纸板对比，纸蜂窝nebula的干燥气体量比较大，干燥气体导热系数比固体要低，具有明显的隔热效果。

从图3、图4可以看出，纸蜂窝的与一般材料的导热规律相反[14]。出现此种情况是因为如果蜂窝孔径小，那么内部并不会存在热对流的情况，要忽略蜂窝孔径中的对流传热效果。此时，利用蜂窝孔辐射与材料的传热创建纸蜂窝的传热；那么，蜂窝孔径小，纸蜂窝导热系数比较小。

2.4 气凝胶纸蜂窝夹层板的导热系数

保温层在实际使用的过程中，聚氨酯泡沫厚度为25～38 mm，只需要对10+10(mm)、15+10(mm)、20+10(mm)的组合结构进行测定，也就是不改变纸蜂窝厚度，气凝胶复合材料厚度为10、15、20 mm，图5为测试结果[15]。

图5 测试结果Fig.5 Test results

从图5可以看出，会不断的增加气凝胶纸蜂窝夹层板导热系数，在气凝胶厚度为10、15 mm，夹层板导热系数比为0.03 W/(m·K)，使营房建设保温材料使用标准得到满足。

2.5 气凝胶纸蜂窝夹层板和聚氨酯导热性能

0.021 W/(m·K)为聚氨酯泡沫材料导热系数，但是其属于多孔发泡型的材料，材料配比、发泡温度等都会对聚氨酯的导热系数造成影响，高寒地区营房环境具有较大的湿度，就会增加导热系数。在进行施工的时候，每层的聚氨酯泡沫喷涂25～28 cm。为了使气凝胶纸蜂窝夹层板和聚氨酯导热性能进行对比，测定20 mm与30 mm两种厚度材料的导热系数，测定结果如图6所示。

图6 测定结果Fig.6 Measurement results

从图6可以看出，保温隔热板的厚度不同，气凝胶导热系数低于聚氨酯。具有相同隔热性能的时候，聚氨酯泡沫保温层的厚度比较大，能够利用气凝胶蜂窝夹层复合材料设置营房空间，从而节约建筑面积。

3 焊接工艺

建筑钢结构普遍应用到高寒地区施工中，由于焊接作用环境会对钢结构焊接质量造成影响，那么低温焊接技术针对焊接质量控制具有重要作用[19]。环境温度影响焊接的表现为：其一，在焊接头冷却速度变快时，焊接冷裂纹的敏感性也会增加；其二，加剧焊接残余应力作用；其三，降低预热效果。热源在低温环境中一样，无法使常温焊接余热效果得到实现。所以，极端环境下野外营房阻焊过程为：

(1)优选焊接材料。使用HW707Ni低温焊条，此焊条为低氢钠的低温钢焊条，在-70 ℃时具有良好的焊缝金属冲击韧性，实现全位置的焊接；

(2)焊钳防护。通过焊接区域实现封闭区间的创建，避免大量热量的损失。另外，利用保温措施对韩启平保护。在钢结构低温焊接施工过程中，以实际情况对焊接工艺进行评定；

(3)使用合理焊接措施。在焊接之前将油污、铁锈和水分清除，实现短弧操作。适当加大定位焊的热输入,增大焊缝截面和长度,并采用与正式焊接相同的预热条件，使焊接层间温度进行严格控制。在焊接之前，焊条要通过350 ℃烘焙1 h，随时烘焙随时使用。加热区域超过100 mm范围，焊接层之间温度比预热温度高[20]；

(4)焊接后热保温。在焊接之后，实现焊接接头的后热保温处理，逸出氢气，避免温度降速过快导致冷裂纹，适当的后热温度能够使预热温度得到降低。

4 结语

气凝胶结合建筑节能技术，能够不断的发现实际使用价值，使建筑行业绿色化发展得到促进。分析了气凝胶蜂窝板保温材料的性能，对气凝胶建筑材料制作工艺进行优化，提出了高寒地区营房建筑的施工措施。通过分析结果表明，能够降低气凝胶建筑材料工艺成本，开拓气凝胶蜂窝板保温材料的应用前景。