Теплопроводность чем меньше тем лучше: Коэффициент теплопроводности. Выбираем «свою» теплоизоляцию

Содержание

Сравнение технологий

 

SIP

Каркас

Брус

Бревно

Кирпич

Экологичность

Экологично. На все составляющие sip панели есть сертификаты соответствия ГОСТ.

Экологично. Используются пиломатериалы, соответствующие нормам.

Экологично. Используются пиломатериалы, соответствующие нормам.

Экологично.

Экологично.

Долговечность

80 лет

60 лет

80 лет

Более 100 лет

Более 100 лет

Усадка строения

Отсутствует. За счет того, что дом строится из готовых сип панелей, которые не дают усадки.

Отсутствует.

Есть. В течение первого года.

Основная усадка происходит на протяжении 5 лет.

Усадка происходит в течение первого года.

Срок возведения дома до возможности проживания

От проекта до момента заезда до 2х месяцев.

От проекта до момента заезда до 3х месяцев.

Возведение дома в течение 2-3 месяцев.

Возведение дома в течение 3 месяцев. Сроки строительных и отделочных работ, с учетом усадки, превышают 1,5 года.

Около 12 месяцев с учетом отделочных работ.

Затраты на дополнительное утепление

Не требуются, утеплитель крепко зафиксирован между двух плит OSB.

Требуются. По мере смещения утеплителя вниз под силой тяжести образуются мостики холода. Требуется вскрытие стен для добавления или замены утеплителя.

Требуются. Со временем брус начинает «крутить». Он трескается и образуются щели.

Требуется конопатка. По технологии необходимо сделать дважды. Первая – через 3 года. Вторая – через 5 лет. Далее по мере возникновения трещин и щелей.

Если не использовать утеплитель, стена из кирпича должна быть больше метра в толщину. В настоящее время стены делаются гораздо меньше, соответственно приходится использовать утеплитель.

Затраты на отопление (чем теплопроводность меньше, тем лучше дом держит тепло)

Низкие затраты на отопление. У дома из Sip панелей очень низкие теплопотери. (Если говорить о цифрах, то теплопроводность 174 Sip панели – 0,035 Вт/(м·°C).

Низкие затраты на отопление. У  каркасного дома низкие теплопотери. (В этой графе нельзя указать точных цифр, т.к все параметры зависят от выбранного утеплителя).

Средние затраты на отопление. Дома из бруса имеет средние теплопотери (теплопроводность бруса – 200х200 0,18 Вт/(м·°C).

Выше средних затрат на отопление. Дома из бревна имееют достаточно большие теплопотери (теплопроводность бревна – 240-260 0,18 Вт/(м·°C).

Высокие затраты на отопление.  Дома из кирпича имеют очень большие теплопотери (Если говорить о цифрах, то теплопроводность кирпича – 0,26 Вт/(м·°C).

Фундамент

Свайно-винтовой фундамент возводится в течение 1-2 дней в любое время года, при этом не дает усадки. Может быть использован на всех типах почвы.

Возможно использование свайно-винтового фундамента.

Возможно использование свайно-винтового фундамента, в более частых  случаях рекомендуется устройство сложного фундамента.

Фундамент более легкий, чем для строений из кирпича, поэтому более дешевый, но значительно дороже, чем свайно-винтовой, используемый для домов из СИП.

Тяжелый фундамент, стоимость возведения зависит от особенностей почвы. Невозможно использование свайно-винтового фундамента.

Отделка

Возможности внутренней и внешней отделки не ограничены. Подготовительные работы не требуются.

Возможности внутренней и внешней отделки не ограничены. Подготовительные работы не требуются.

Отделку рекомендуется проводить после усадки, которая происходит в течение года. Рекомендуется использовать «дышащие» материалы для отделки.

 

Отделка не требуется.

Отделка производится спустя год после возведения строения. Требуется предварительная подготовка стен.

Соотношение стоимости домов

Невысокая стоимость при высоком качестве и долговечности дома из сип панели.

Средняя стоимость при среднем качестве.

Высокая стоимость при среднем качестве строительства (среднее качество подразумевает обязательное утепление построенного дома).

Высокая стоимость при хорошем качестве.

Высокая стоимость при высоком качестве и максимальной долговечности.

Устойчивость к сейсмической активности

Очень высокая устойчивость (использование домостроения по sip технологии на участках с высокой сейсмической активностью (в Японии, Канаде и некоторых штатах США).

Хорошая устойчивость. В отличии от дома из sip панелей, каркасное здание не может выдержать сильную боковую нагрузку, т.к. основные несущие балки расположены строго горизонтально, и между собой их скрепляет только внешняя и внутренняя обшивка.

Средняя.

Средняя.

Средняя.

Появления грызунов

Очень низкая вероятность появление грызунов при соблюдении sip технологий.

Вероятность появления грызунов. Мыши не питаются утеплителями, они используют его как проходы и в некоторых случаях как норы.

Средняя вероятность появления грызунов.

Низкая вероятность.

Низкая вероятность. Если не оставлять пустот в кладке из кирпича.

Применение | Ретерма

При выборе утеплителя, в первую очередь, исходят из его технических характеристик и поведения в различных условиях использования. Знание основных свойств материала необходимо для правильного выбора при планировании предстоящих работ. От рационального подхода к данной задаче во многом зависит долговечность конструкции.

Предпочтение отдается материалам, которые более всего соответствуют максимальному сочетанию условий использования и параметрам утеплителя. Под условиями следует понимать как геометрию конструкции, так и внешние воздействия: механические, климатические и т. д. Так, например, пенополистирольные плиты невозможно уложить на округлых формах, а минвата в рулонах осядет при наружных работах. Для получения требуемого качества, при проектировании учитываются эти факторы и определяются основные свойства материала. В этой статье рассмотрены главные характеристики теплоизоляции. Стоит учесть, что чем больше данных параметров сочетается в выбранном материале для каждой отдельной конструкции, тем надежнее будет таковая

Основные характеристики.

Теплопроводность.

Сорбционная влажность.

Сохранение формы.

Термоустойчивость.

Звукоизоляционные характеристики.

Пластичность.

Возвратность.

Пункты в деталях.

Теплопроводность – собственно, то свойство, из-за чего материал и нужен. Солома в мешке и пенополистирол несомненно утеплители, однако и у них различные параметры. Не стоит вдаваться в таблицы (на упаковках производитель обязан указывать единицы измерения), просто нужно знать, что таковой является Ватт на метр/Кельвин (Вт/м*К). Чем меньше показатель, тем лучше. Также учитывается коэффициент теплопроводности – значение тоже указывает изготовитель. Еще один фактор влияющий на свойства утеплителя это влажность. С ее увеличением теплопроводность повышается, что негативно сказывается на характеристиках последнего. Поэтому еще один параметр для определения качества следующий:

Сорбционная влажность. Это свойство материалов поглощать из окружающей среды влагу. Зависит от температуры, влажности и природы материала и непосредственно влияет на коэффициент теплопроводности.

Сохранение формы с течением времени в процессе использования – один из главных показателей, влияющий на качество утепления. На практике испытано и доказано, что потери тепла через образовавшиеся щели достигают 35-50%, причем со временем материал не изменял своих теплопроводных характеристик. В итоге был сделан вывод, что очень важно сохранение формы в целях увеличения долговечности конструкции.

Термоустойчивость это способность изоляции сохранять свои показатели при частых изменениях температуры окружающей среды. Особенно необходимо на территориях с изменчивым климатом. Единиц измерения пока еще не придумали, хотя не мешало бы.

Шумоизоляция — понятие не требующее пояснений. Стоит отметить, что лучшими считают изделия на стекловолоконной основе. Конструкции с использованием таких мтериалов имеют более высокий коэффициент звукоизоляции. Кроме того он самый доступный по цене, обладает высокой огнестойкостью и удобен в транспортировке.

К числу необходимых свойств относится пластичность – возможность охватывать непрямые поверхности без разрыва слоя. Гибкие здесь имеют преимущество. Причем сочетание со стекловолокном расширяет направление использования.

Возвратность – показатель определяющий возможность восстановления первоначальных объемов после снятия нагрузки, например транспортировки. Исчисляется в процентах. Если такой равен 95%, то при распаковке в скором времени утеплитель приобретет 95% своего первоначального размера. С большим отрывом лидирует снова стекловолокно.

В заключение стоит добавить, что вышеприведенные характеристики должны сочетаться с технологическими требованиями конструкции для максимального использования возможностей теплоизолятора.

Как выбрать термопасту. Основные свойства термопасты.

В одной из статей на этом сайте речь уже шла о том, как нужно наносить термопасту на процессор, чтобы добиться максимальной эффективности отвода тепла. Но охлаждение процессора зависит не только от правильности использования термопасты, но и от ее качества. В статье читатель найдет информацию о том, какие свойства термопасты нужно учитывать при ее выборе, а также о влиянии каждого из этих свойств на конечный результат. Сразу хочу обратить внимание на то, что термопасту лучше всего оценивать по результатам, полученным в процессе ее практического применения. В Интернете есть много независимых рейтингов, формируемых на основе тестирования разных марок термопаст. Однако, если в упомянутых рейтингах интересующая Вас марка отсутствует, оценить степень ее эффективности можно путем изучения характеристик, которые обычно указываются на ее упаковке или на официальном сайте производителя. При этом, наиболее важными среди них являются:

1. Теплопроводность


Теплопроводность – способность вещества передавать тепловую энергию от более нагретых его частиц к менее нагретым. Это, пожалуй, наиболее важная характеристика термопасты (чем она выше, тем лучше). Коэффициент теплопроводности (англ. – Thermal Conductivity) обозначается значком λ, измеряется в Вт/(м*К) и представляет собой количество теплоты, проходящей в течение единицы времени через единицу вещества. Этот показатель можно найти на сайте производителей термопаст, а в некоторых случаях – на их упаковке (см. изображение).

Коэффициент теплопроводности самой дешевой термопасты (КПТ-8) составляет около 0,65 – 0,7 Вт/(м*К). Среди термопаст начального уровня отличным считается коэффициент 1,5 – 2 Вт/(м*К). В большинстве случаев, этого полностью достаточно для процессоров домашних компьютеров, в том числе и игровых. Для высокопроизводительных же процессоров с высоким TDP целесообразно приобрести термопасту более “продвинутого” уровня. Ее стоимость обычно на порядок выше, а теплопроводность может превышать 5 Вт/(м*К) и даже больше. Ну а коэффициент теплопроводности наиболее эффективных из известных сегодня решений может достигать 80 Вт/(м*К). Но обычные компьютерные магазины такими пастами не торгуют, поскольку они очень дорогие, требуют аккуратного обращения да и в обычных компьютерах они нужны не больше, чем ракетный двигатель в “Запорожце”.

2. Вязкость (консистенция)


Термопаста не должна быть слишком густой или слишком жидкой. Оптимальной считается вязкость в пределах 160 – 450 Па*с. Этот показатель не часто отображается на сайтах производителей термопаст, и уж тем более на их упаковках. Если показатель вязкости конкретной термопасты не удается найти, его можно оценить “на ощупь”. По консистенции термопаста должна быть чуть более густой, чем крем для рук или зубная паста. Почему консистенция должна быть именно такой? Теплопроводность термопасты до 50 раз выше теплопроводности воздуха. Однако, она в несколько десятков раз ниже, чем теплопроводность металла, из которого изготовлен радиатор системы охлаждения. Поэтому термопасту нужно наносить так, чтобы она максимально заполнила микротрещины на поверхности процессора и радиатора, вытеснив оттуда воздух. Но ее слой должен быть минимально для этого необходимым, то есть, он не должен при этом ухудшать плотность прилегания радиатора к процессору и не увеличивать расстояние между ними. Чем гуще термопаста, тем тяжелее достичь указанного эффекта. Но если термопаста будет слишком жидкой, в процессе эксплуатации она может вытечь под собственным весом (при нагреве ее текучесть дополнительно увеличивается). На практике, недорогая термопаста с оптимальной вязкостью может оказаться более эффективной, чем слишком густая паста с более высокой теплопроводностью. Кроме теплопроводности и вязкости, важными являются и некоторые другие свойства. Однако, почти у всех термопаст, доступных сегодня в продаже, они находятся в допустимых пределах и поэтому на них можно не обращать особого внимания. Речь идет о таких характеристиках как: • термостойкость – способность термопасты сохранять свои основные свойства независимо от температуры; • диапазон рабочих температур; • химическая нейтральность; • токсичность; • электропроводность. Но если Вам вдруг вздумается воспользоваться вместо термопасты каким-нибудь другим веществом, обязательно учитывайте эти его характеристики. Так, некоторые аматоры, занимающиеся разгоном, вместо обычной термопасты используют смеси на основе мягкого металла индия. Теплопроводность индия высокая (больше 80 Вт/(м*К)), но, как и все металлы, он является еще и прекрасным электрическим проводником. Если его частичка случайно попадет на материнскую или другую плату компьютера, случится короткое замыкание со всеми вытекающими из этого последствиями. Кроме того, пасты на основе индия могут иметь высокую химическую активность или даже быть токсичными.

Расчет коэффициента теплопередачи / ППУ XXI ВЕК – Напыление ППУ

Эта статья поможет вам самостоятельно выяснить, какие потери тепла вы несете. Для этого необходимо знать четыре основные термина. С первого взгляда они означают одно и то же, поэтому и надо рассмотреть их внимательнее.

Коэффициент теплопередачи

Коэффициент теплопередачи показывает, как хорошо элемент конструкции (крыша, стена, пол) проводит тепло. Чем ниже этот показатель, тем хуже пропускается тепло и тем лучше теплоизоляция.

Определение коэффициента теплопередачи звучит следующим образом: потеря энергии квадратным метром поверхности при разности температур внешней и внутренней. Это определение влечет за собой взаимосвязь ватт, квадратных метров и Кельвина  W/(m2·K).

Кельвин – это единица температуры. 0 Кельвинов – минимально возможное значение температуры. При разности температур значения Кельвина совпадают с градусами по Цельсию.Следующий пример с неизолированной стеной в старой постройке показывает значение коэффициента теплопередачи.В начале 20 века внешние стены дома строили из полнотелого кирпича толщиной 24 см, с двух сторон стена покрывалась штукатуркой толщиной 1,5 см. коэффициент теплопередачи такой стены примерно составляет 2 W/(m2·K).

При разности температур в 1Кельвин (например 21 градус внутри помещения и 20 снаружи) потеря энергии составляет 2 Ватта за квадратный метр. Стена площадью 30 метров квадратных (12*2,5) теряет примерно 60 Ватт.

При понижении внешней температуры соответственно увеличивается потеря энергии. При внешней температуре 0, разница составит 21 градус, а потеря тепла 21 Kельвин x 60 Ватт/Kельвин = 1260 Ватт или 1,26 кВатт. За 24 часа получается 24ч х 1,26 кВатт=30 кВатт/сут., что соответствует расходу топлива объемом 3 литра.

Коэффициент теплопередачи – это предпочтительный способ сравнения конструкций с энергетической точки зрения.

Теплопроводность лямбда λ

Теплопроводность – это свойство материала. Она показывает, насколько хорошо материал проводит тепло и не зависит от его плотности. Теплопроводность подходит для сравнения различных изоляционных материалов, но не для архитектурных конструкций. Теплопроводность – это тепловой ток (Ватт) на разность температур на площадь поперечного сечения умножить на толщину материала. Чем больше толщина материала, тем меньше теплового тока (и наоборот: чем больше площадь поперечного сечения, тем больше теплового тока). Теплопроводность считается по формуле  W/(m·K). Но это не означает «Ватт разделить на метр, умноженный на Кельвин». А «Ватт, разделить на метр квадратный(поперечное сечение)умножить на  метр (толщина материала) разделить на Кельвин» 

Если разделить теплопроводность на толщину материала, то получится коэффициент пропуска тепла с единицей измерения тепловой ток(Ватт) на квадратный метр поверхности и на Кельвин. Эта формула совпадает с коэффициентом теплопередачи, но значения этих понятий различны. Коэффициент теплопередачи учитывает термическое сопротивление воздуха в помещении на стену, также как внешнего воздуха на внешнюю стену. В расчетах коэффициента теплопередачи расчет ведется исходя из разницы в температуре воздуха, а в коэффициенте пропуска тепла – в температуре материалов.

Сопротивление пропуску тепла R

Сопротивление пропуску тепла является обратной величиной коэффициенту пропуска тепла R = d/λ. D при этом толщина слоя. Сопротивление пропуску тепла описывает, как определенный материал не пропускает тепло.  Чем выше сопротивление пропуску тепла, тем лучше теплоизоляция. Единица измерения m2K/W.

Физическая модель теплозащиты — Построй свой дом

 

Физическая модель теплозащиты дома включает представления о процессах передачи тепла через границу или пространственную оболочку здания, отделяющую проектируемую внутреннюю среду от наружной среды, определяемой климатическими характеристиками места строительства. Вот о том, что такое теплозащита дома, мы и поговорим в этой статье.

 

Одна из наиболее важных задач теплозащиты дома — это экономия энергии и затрат на нее. Теплозащита зданий регламентируется СНиП «Тепловая защита зданий 23-02-2003». Теоретически теплозащита дома может и не проводиться, но тогда источник тепла в доме должен быть постоянным, а его мощность больше необходимой в десятки раз. Кроме того, проводя теплоизоляционные работы, Вы продлеваете срок службы своего дома, так как правильно выполненная теплозащита защищает конструкцию от температурных перепадов.

 

Теплозащита — основные физические величины

 

Количество тепла Q, единица Вт • с

 

Под количеством тепла Q (Вт • с) понимают такое количество энергии, которое может быть отдано или воспринято телом при тепловом потоке Q (Вт) за секунду (1с).
Количество тепла: 1Дж=1Вт •с=1 Нм

Тепловой поток: 1Дж/с=1 Вт=1 Нм/с

 

 

Теплопроводность λ

 

λ — маленькая греческая буква Λ (произносится лямбда). Расчетная величина теплопроводности показывает количество тепла в Вт•с, которое проходит в стационарном режиме (при постоянно работающем отоплении) в 1 секунду через 1м2 слоя материала толщиной 1м, когда разница температур на внешней и внутренней поверхностях слоя составляет 1 Кельвин (1K ≈°C).
Единица:

Вт • с • м/с • м2•К=Вт/(м • К)

Чем больше λ, тем больше теплопроводность и чем меньше λ, тем лучше теплоизоляция.

Теплопроводность зависит от:

 

Плотности материала

Воздух имеет очень хорошие теплоизоляционные свойства (λ=0,02 Вт/ м • К). Материалы с малой плотностью имеют, как правило, много воздушных пор, которые улучшают их теплоизоляционные свойства.

 

Виды величины распределения пор

 

Вид: круглые, шарообразные поры лучше, чем продолговатые. Величина: много маленьких пор лучше, чем меньшее количество больших. Распределение: равномерное распределение лучше, чем неравномерное.

 

 

 

 

Влагосодержания материала

 

Влагосодержания материала зависит от:
• Структуры материала (поры, строение)
• Положения в конструкции (подход воздуха)
• Климатические воздействия (внутри—снаружи) Увлажнение ухудшает теплоизолирующую способность.
• Температура материала.
Молекулы теплых материалов более подвижны, чем молекулы холодных материалов. Чем ниже температура материала, тем хуже теплопроводность. Чтобы получить сравнимые значения DIN 4108 предписывает определять теплопроводность при температуре +10°С.

 

Коэффициент теплопередачи Λ

 

(Λ — большая греческая буква Лямбда,  по СНиП II-3-79* обозначение а)
Коэффициент теплопередачи показывает, какое количество тепла (Вт•с) в стационарном режиме проходит через 1м2 элемента однородной ограждающей конструкции толщиной d (в метрах) за секунду, если разность температур поверхностей конструкции составляет 1 Кельвин (1K ≈°C).

Единица:

 λ/d = Вт/м • К/м = Вт/м2 • К

 

Сопротивление теплопередачи R

 

Единица: R (м2 • К/Вт).

Для оценки ограждающей конструкции является определяющим не то, какое количество тепловой энергии она пропускает, а то, как велико ее сопротивление пропусканию тепла.
Чем больше сопротивление теплопередаче конструкции, тем лучше ее теплоизолирующая способность.
Если конструкция состоит из нескольких слоев, то сопротивления теплопередаче отдельных слоев могут складываться.

 

Ri = Толщина отдельного слоя / его коэффициент теплопроводности

R = d1 / λ1 + d2 / λ2 + d3 / λ3 + d4 / λ4 + ……+ dn / λn

 

Коэффициент теплообмена h

 

Коэффициент теплообмена h выражает количество тепла (в Вт•с) которое в секунду (c) обменивается между 1м2 поверхности твердого материала и касающимся его воздухом, когда разница температур между воздухом и поверхностью материала составляет 1К.

Тогда, как в строительной конструкции тепло передается вследствие теплопроводности, на поверхностях стен теплопередача осуществляется за счет радиации hs и конвекции hK.

Так, например, зимой наружная стена внутри холоднее, чем внутренний воздух, тогда, как поверхность стены снаружи теплее наружного воздуха.

Для стен справедливо:

С внутренней стороны:

hi≈ hk+hs ≈ 4+4

hi≈ 8Вт/(м2К).

С наружной стороны:

hi≈ hk+hs ≈13+10

hi≈ 23Вт/(м2К).

Единица: Вт • с/с • м2 К = Вт/(м2К).

Коэффициент теплообмена зависит от:
• Температуры воздуха
• Движения воздуха
• Состояния и формы поверхности стены (гладкая, шероховатая)

• Положения ограждающей конструкции (горизонтально — вертикально)
• Конструктивного исполнения (однослойная — многослойная)

 

Сопротивление теплообмену R

s

 

Единица: 1/(Вт/м2К) = м2К/Вт.

 

Общий коэффициент теплопередачи

U (величина U)

 

Под общим коэффициентом теплопередачи понимается вся транспортировка тепловой энергии от воздушного пространства через строительную конструкцию и снова в соседнее воздушное пространство за ограждающей конструкцией. В общий коэффициент теплопередачи наряду с коэффициентом теплопередачи Λ входят также коэффициенты теплообмена hi и hc (в СНиП II-3-79* ав и ан). Общий коэффициент теплопередачи U(величина U) представляет собой важнейшую характеристику строительной физики в теплозащите.

Чем меньше величина U, тем больше экономия энергии.

Для окон и других видов остекления даются сразу величины U.

Пример HTML-страницы

U = 1 / (1/hi)+R+(1/hc)

 

Общее сопротивление теплопередаче

Rт (в СНиП Н-3-79*-R0)

 

* в российской теплофизике и в СНиП Н-3-79* аналогичная величина связана с нестационарными условиями теплового режима и включает в себя круговую частоту колебаний температуры на одной из поверхностей ограждающей конструкции. Она называется коэффициентом теплоусвоения материала S (Вт/(м2))

 

 

R = (1/hi)+R+(1/hc)

RT = 1/hi + d1 / λ1 + d2 / λ2 + d3 / λ3 + ……+ dn / λn+ 1/hc

R — сопротивление теплопередаче конструкции или термическое сопротивление.
Единица: м2К/Вт.

Эту формулу обычно используют для расчета величины U (R> 1/х -» величина U). Эту формулу используют также для получения распределения температур внутри ограждающей конструкции.

 

Коэффициент удельной теплоемкости С

 

Под коэффициентом удельной теплоемкости понимают количество тепла, которое необходимо для того, чтобы поднять температуру материала массой 1 кг на 1 Кельвин (1К). Единица: Вт • с/(кг • К) = Джоуль/кг • К).

 

Коэффициент теплопроницания

b

 

Коэффициент теплопроницания дает сведения о том, какое количество тепла (Вт • с) может проникнуть в материал через 1м2 его поверхности так, чтобы нагреть его на 1 К за время с0,5.
Единица: Дж/м2 • К • с0,5 = Вт • С/м2 • К • с0,5.

b = √λR• p • c

где: λR в Вт/м • К
р в кг/м3

         с в Дж/кг • К

Большой коэффициент теплопроницания:
Если много тепла проникает в единицу времени в материал и мало тепла остается для нагревания воздуха в помещении, следовательно помещение нагревается медленно.

Маленький коэффициент теплопроницания:
Если меньше тепла проникает в единицу времени в материал, при этом остается больше тепловой энергии для нагревания воздуха в помещении. Для теплоты полов, и, соответственно, для нагревания стен коэффициент теплопроницания имеет решающее значение.
При одинаковой температуре бетонная поверхность ощущается более прохладной, чем деревянная. Для полов этот эффект, вследствие непосредственного контакта с телом человека, особенно заметен.

 

Например:

Бетон

b = √2,1-2400-1000 = 2245 Дж/(м2 • К • с0,5)
Дерево

b =0,13 -600 -2100 = 405 Дж/(м2 • К • с0,5)

Таблица  «Расчетные значения удельной теплоемкости с и коэффициента теплопроницания

 

 

Теплонакопительная способность Q

 

Теплонакопительная способность играет большую роль как для летней, так и для зимней теплозащиты зданий.
Летом: Конструкции, ограждающие помещение, в течение дня накапливают часть тепловой энергии и отдают её вечером и в ночные часы в охлаждающийся воздух помещения. Это позволяет избежать так называемого «барачного» климата.
Теплонакопительная способность тем больше:
• Чем больше поверхностная плотность конструкции (в кг/м2)
• Чем больше разность температур между конструкцией и воздухом.

 

Зимой: Конструкции, ограждающие помещение в период работы отопления накапливают тепло и могут отдавать его в воздух помещения при отключении отопления. Кроме того, за счет теплонакопления достигается то, что вблизи стен не возникает ощущение сквозняков и стена может излучать тепло. Таким образом улучшается самочувствие человека вблизи стены.

 

Основное требование:
Наружные конструкции => высокая теплоизолирующая способность

Внутренние конструкции => высокая теплонакопительная способность.
=> надежная защита от воздушного шума.
Накапливаемая тепловая энергия определяется по формуле:

Q = m’• c • ΔΘ 

m’ в кг/м2
с в Дж/кг • К

ΔΘ в °С или К

Единица измерения: Дж/м2.

Пример: стена толщиной 24см из многопустотного кирпича р = 1200 кг/м3 имеет в среднем температуру 14°С. Температура воздуха в помещении составляет 20° С.
Q = m’• c • ΔΘ
Q =1200 кг/м3 • 0,24м • 1000 Дж/кг • К • 6К

Q= 1728000 Дж/м2.
Q = 0,48 кВт • час/м2.

 

Ощущение комфорта в помещении

 

Пример HTML-страницы

Ощущение комфорта в помещении зависит от:

 

Температуры поверхностей стен

 

Чувствует ли человек себя комфортно в помещении, зависит, наряду с уже упомянутыми факторами, также и от теплового излучения поверхностей ограждающих это помещение конструкций. Мы чувствуем себя комфортно, с точки зрения температуры, в том случае, если внутренние поверхности стен зимой не более, чем на 3°С ниже, а летом не более, чем на 3°С выше температуры воздуха в помещении. Температура поверхностей стен зависит от их сопротивления теплопередаче (R). (см. рис.»График распределения комфортных температур в помещении»)

 

 

Температура поверхности пола

 

Для полов, вследствие непосредственного контакта с телом человека через подошвы ног, справедливы другие значения. Для того, чтобы не отбирать у человека слишком много тепла, температура поверхности пола не должна быть ниже 15—20°С. Здесь играет роль также продолжительность пребывания человека в помещении. Оптимальной и приятной ощущает человек поверхность пола с температурой от 22°С до 24°С.

При напольном отоплении (теплые полы) температура поверхности пола не должна быть выше 25—30°С.

Согласно рис. 1.16. температура пола 15°С ощущается еще приемлемой, если пребывание человека в помещении длится до 3 часов. Затем пол кажется уже прохладным, а через 3,8 часа — уже холодным (см. рис. «График распределения комфортных температур подав зависимости от времени пребывания человека в помещении»).

 

Теплонакопительная способность стен*

 

* в российской строительной теплотехнике аналогичную роль выполняет понятие о массивности стены, характеризуемой величиной тепловой инерции D.
D = R • S, где R — сопротивление теплопередаче; S — коэффициент теплоусвоения.

 

 

Теплонакопительная способность стен играет большую роль как для зимней, так и для летней теплозащиты. Так как способность к накоплению очень сильно зависит от плотности, то у тяжелых стен она лучше, чем у легких конструкций. Зимой помещения с большой теплонакопительной способностью при отключении отопления охлаждаются не так быстро, летом избыточная энергия в дневное время может накапливаться для того, чтобы ее отдать в воздух помещения в прохладные ночные часы.

 

Относительная влажность воздуха

 

Рисунок «Относительная влажность воздуха и ощущение «. показывает, что мы чувствуем себя некомфортно, когда температура воздуха падает ниже —17°С и, соответственно, когда она возрастает выше 26°С, независимо от относительной влажности воздуха. Далее следует отметить, что с увеличением температуры воздуха мы ощущаем, как комфортные все меньшие значения относительной влажности.

 

 

Отношение амплитуд колебания температур TAV

 

Температура наружного воздуха в течение суток (дневная и ночная фазы) не постоянна. Колебания температуры влияют на распределение температур внутри конструкции и на температуру воздуха внутри помещения. Величина TAV для конструкции может считаться хорошей, если колебание температуры внутреннего воздуха меньше наружного, и если волна тепловой энергии приходит вовнутрь со сдвигом по времени. Это возможно в том случае, если конструкции, ограждающие помещение имеют хорошую теплонакопительную способность. На рис. «Отношение амплитуд колебаний температур (h — час).» показано, что максимальные значения (амплитуда) колебаний температуры наружного воздуха во внутреннем воздухе гораздо меньше и энергетическая волна приходит в помещение со сдвигом по времени φ.
Значение величины TAV особенно возрастает в летние месяцы.

 

Качество воздуха

 

Для качества воздуха определяющим является содержание углекислого газа (СO2). Высокое содержание СO2 вызывает головную боль, ощущение головокружения, возбуждение, рост давления крови.

 

Очень высокие концентрации СO2, около 10%, которые встречаются в погребах для брожения, ведут к смерти от отравления. Человек вдыхает в час около 500л воздуха с содержанием СO2 около 0,03% от объема, а выдыхает этот воздух уже с содержанием СO2 около 4% от объема. При этом он потребляет в час около 33л O2 и вырабатывает около 25л  СO2.
Количество СO2 в гигиенически безупречных жилых и рабочих помещениях должно не превышать 0,1% от объема воздуха. Чтобы поддерживать эту величину в помещении на человека в час требуется около 30м3 наружного воздуха, содержание СO2 в котором составляет около 0,03% от объема.

 

От чего зависит комфорт в помещении

 

 

 

Движение воздуха

 

Движение воздуха может происходить через неплотные места в оболочке здания (плоскость крыши, щели в окнах, кожухи жалюзи), а также за счет конвекции внутри здания. Если внутренние поверхности стен имеют малые температуры, из-за большой разницы температур между воздухом в помещении и поверхностью стены вблизи стены происходит конвекция, которая ощущается человеком как сквозняк.

 

Теплопотери различных типов домов

 

Приведенные значения имеют место в тех домах, к которым еще не предъявлялись требования современного законодательства по теплозащите.

 

Рис. «Теплопотери через различные части здания в зависимости от типа дома»

 

 

Как видно, теплозащита дома имеет большое значение для комфортного проживания. В следующей статье я расскажу об указаниях по теплозащите дома.

 

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ:

Пример HTML-страницы

Самая низкая теплопроводность у

Теплоизоляция необходима в любом помещении, где температура в какое-либо время года не должна быть равной температуре окружающей среды.

Оптимальная температура в помещении достигается с помощью работы обогревательных или охлаждающих устройств.

Чтобы искусственно настроенная температура внутри здания не изменялась из-за диффузии неодинаково нагретых частей внутри и снаружи здания, используют строительные материалы с наименьшим коэффициентом теплопроводности.

Что такое теплопроводность?

Теплопроводность — физическое свойство тела (тел) обменивать внутреннюю энергию с помощью диффузии атомов и молекул, которые хаотически перемещаются от более нагретых частей к более холодным.

Атомы и молекулы двигаются в хаотичном порядке до тех пор, пока температура по всему занимаемому объёму не выровняется.

Чем больше теплопроводность вещества, тем быстрее сквозь него передаётся более высокая или более низкая температура.

Теплопроводность определяется количеством теплоты в Дж, которая, при разнице температур в противоположно расположенных параллельных плоскостях в 1 К, проходит через 1 м² за 1 ч.

Коэффициент теплопроводности выражают в Вт/м*К.

Роль коэффициента теплопроводности при принятии архитектурно-строительного решения

Теплопроводность твёрдых тел, каковыми являются все строительные материалы, проявляется за счёт переноса тепла, происходящего в результате колебаний кристаллической решётки.

Большая теплопроводность строительного материала недопустима для возведения архитектурных сооружений. Чем больше теплопроводность, тем меньше теплоизоляционные качества материала, необходимые для поддержания в помещении температуры, отличной от температуры окружающей среды.

Строительные материалы с низкой теплопроводностью помогают сохранить достигнутый градус в помещении вне зависимости от погодных условий, благодаря минимальному поддержанию диффузии между разными по температуре частицами.

Чем меньше коэффициент теплопроводности материала, тем лучше его теплоизоляционные качества.

Хорошая теплоизоляция избавит от сквозняков, холодных стен, быстрого остывания, промерзания или нагрева помещения, позволит существенно сэкономить на устройствах обогрева или охлаждения.

Или почитайте ЗДЕСЬ об установке пластиковых окон своими руками.

Конструкционные материалы и их теплопроводность

Теплопроводность вещества зависит от его плотности. Чем больше плотность вещества, тем выше теплопроводность. С увеличением пористости понижается ее коэффициент.

Низкий коэффициент теплопроводности материала определяет его хорошие теплоизоляционные качества.

Бетон

  • Плотность: 500 кг/м³–2 500 кг/м³. Показатель зависит от состава смеси.
  • Теплопроводность: 1,28–1,51 Вт/м*К. Показатель меняется в зависимости от консистенции бетона.

Бетонная смесь используется для заливки монолитного фундамента, а бетонные блоки – для закладки фундамента и возведения стен.

Железобетон

  • Плотность: 2 500 кг/м3; бетонная смесь без вибрирования (применения глубинного вибратора) – 2 400 кг/м3.
  • Теплопроводность: 1,69 Вт/м*К.

Лёгкий бетон на пористых заполнителях называют ячеистым бетоном.

Используют в качестве конструкционного и теплоизоляционного материала. Самые распространённые строительные материалы из бетона на пористых заполнителях — газобетон, пенобетон, керамзитобетон.

Данные материалы применяются для возведения многоэтажных, частных домов и для дополнительных пристроек: бань, гаражей, сараев.

Керамзитобетон

Полнотелые керамзитобетонные блоки производятся с помощью вибропрессования. Не имеют пустот и отверстий. Часто используются для кладки несущих стен или закладки фундамента.

Пустотелые керамзитобетонные блоки делают с применением специальных форм, позволяющих при заливке смеси сформировать герметичные или сквозные пустоты.

Обладают меньшей прочностью по сравнению с полнотелыми керамзитобетонными блоками. Имеют меньшую теплопроводность, что делает их оптимальным материалом для возведения нетяжёлых конструкций с требуемой высокой теплоизоляцией.

  • Плотность: 500 кг/м³–1 800 кг/м³.
  • Теплопроводность: 0,14–0,66 Вт/м*К.

Газобетон

Изготавливается из газосиликата. С помощью специализированных газообразователей внутри блока формируют приблизительно сферические поры (пустоты), их диаметр 1–3 мм.

  • Плотность: 300–800 кг/м3. Зависит от количества и размера пустот.
  • Теплопроводность: 0,1–0,3 Вт/м*К.

Пенобетон

Изготавливается с применением пенообразующих добавок. Имеет пористую структуру.

  • Плотность: 600–1 000 кг/м3.
  • Теплопроводность: 0,1–0,38 Вт/м*К.

Саманный кирпич

Изготавливается из глины и наполнителя.

  • Плотность: 500 кг/м³–1 900 кг/м³;
  • Теплопроводность: 0,1–0,4 Вт/м*К.

Керамический кирпич

Изготавливается из обожжённой глины.

  • Плотность: полнотелый – 1 600 кг/м³–1 900 кг/м³; пустотелый – 1 100 кг/м³–1 400 кг/м³;
  • Теплопроводность: полнотелый – 0,56–0,86 Вт/м*К; пустотелый–0,35–0,41 Вт/м*К.

Силикатный кирпич

Изготавливается из песка и извести.

  • Плотность: 1 100 кг/м³–1 900 кг/м³;
  • Теплопроводность: 0,81–0,87 Вт/м*К.

Дерево

  • Плотность: 150 кг/м³–2 100 кг/м³;
  • Теплопроводность: 0,2–0,23 Вт/м*К.

Строительные конструкционные материалы, даже с низкой теплопроводностью, нуждаются в дополнительном утеплении.

Или почитайте ЗДЕСЬ о несъемной опалубке из пенополистирола.

Утеплители и их теплопроводность

Используются для утепления фундамента, пола, стен здания внутри и снаружи, потолка и крыши.

Пенопласт

  • Плотность: 15 кг/м³–50 кг/м³;
  • Теплопроводность: 0,31–0,33 Вт/м*К.

Пенополистирол

  • Плотность: 15 кг/м³–50 кг/м³;
  • Теплопроводность: 0,028–0,035 Вт/м*К.

Минеральная вата

Минеральная вата имеет способность впитывать влагу. Вода легко накапливается, но очень долго испаряется из данного звуко- и теплоизоляционного материала.

Если минвата перенасытится влагой, то потеряет свои основные изоляционные свойства. Чтобы не допустить впитывание влаги, минвату с двух сторон герметично закупоривают слоем гидроизоляции.

Стекловата

  • Плотность: 15 кг/м³–45 кг/м³;
  • Теплопроводность: 0,038–0,046 Вт/м*К.

Базальтовая (каменная) вата

  • Плотность: 30 кг/м³–200 кг/м³;
  • Теплопроводность: 0,035–0,042 Вт/м*К.

Эковата

  • Плотность: 30 кг/м³–110 кг/м³;
  • Теплопроводность: 0,032–0,041 Вт/м*К.

Сравнительные характеристики теплопроводности конструкционных строительных материалов и утеплителей необходимо проанализировать, выбрав для постройки или дополнительной теплоизоляции самый подходящий материал.

Видео о характеристиках теплоизоляционных материалов

автор Сергей Соболев 2.1k Просмотров Мнений

Прочный и теплый дом – это основное требование, которое предъявляется проектировщикам и строителям. Поэтому еще на стадии проектирования зданий в конструкцию закладываются две разновидности стройматериалов: конструкционные и теплоизоляционные. Первые обладают повышенной прочностью, но большой теплопроводностью, и именно их чаще всего и используют для возведения стен, перекрытий, оснований и фундаментов. Вторые – это материалы с низкой теплопроводностью. Их основное назначение – закрыть собой конструкционные материалы, чтобы понизить их показатель тепловой проводимости. Поэтому для облегчения расчетов и выбора используется таблица теплопроводности строительных материалов.

Читайте в статье:

Что такое теплопроводность

Законы физики определяют один постулат, который гласит, что тепловая энергия стремится от среды с высокой температурой к среде с низкой температурой. При этом, проходя через строительный материал, тепловая энергия затрачивает какое-то время. Переход не состоится лишь в том случае, если температура на разных сторонах от стройматериала одинаковая.

То есть, получается так, что процесс перехода тепловой энергии, к примеру, через стену, это время проникновения тепла. И чем больше времени на это затрачивается, тем ниже теплопроводность стены. Вот такое соотношение. К примеру, теплопроводность различных материалов:

  • бетон –1,51 Вт/м×К;
  • кирпич – 0,56;
  • древесина – 0,09-0,1;
  • песок – 0,35;
  • керамзит – 0,1;
  • сталь – 58.

Чтобы было понятно, о чем идет речь, надо обозначить, что бетонная конструкции не будет ни под каким предлогом пропускать через себя тепловую энергию, если ее толщина будет в пределах 6 м. Понятно, что это просто невозможно в домостроении. А значит, придется для снижения теплопроводности использовать другие материалы, у которых показатель ниже. И ими облицовывать бетонное сооружение.

Что такое коэффициент теплопроводности

Коэффициент теплоотдачи или теплопроводности материалов, который также обозначен в таблицах, это характеристика тепловой проводимости. Он обозначает количество тепловой энергии, проходящий через толщу стройматериала за определенный промежуток времени.

В принципе, коэффициент обозначает именно количественный показатель. И чем он меньше, тем теплопроводность материала лучше. Из сравнения выше видно, что стальные профили и конструкции обладают самым высоким коэффициентом. А значит, они практически не держат тепло. Из строительных материалов,сдерживающих тепло, которые используются для сооружения несущих конструкций, это древесина.

Но надо обозначить и другой момент. К примеру, все та же сталь. Этот прочный материал используют для отведения тепла, где есть необходимость сделать быстрый перенос. К примеру, радиаторы отопления. То есть, высокий показатель теплопроводности – это не всегда плохо.

Что влияет на теплопроводность строительных материалов

Есть несколько параметров, которые сильно влияют на тепловую проводимость.

  1. Структура самого материала.
  2. Его плотность и влажность.

Что касается структуры, то здесь огромное разнообразие: однородная плотная, волокнистая, пористая, конгломератная (бетон), рыхлозернистая и прочее. Так вот надо обозначить, что чем неоднороднее структура у материала, тем ниже у него теплопроводность. Все дело в том, что проходить сквозь вещество, в котором большой объем занимают поры разного размера, тем сложнее энергии через нее перемещаться. А ведь в данном случае тепловая энергия – это излучение. То есть, оно не проходит равномерно, а начинает изменять направления, теряя силу внутри материала.

Теперь о плотности. Этот параметр обозначает, на каком расстоянии между собой располагаются частички материала внутри его самого. Исходя из предыдущей позиции, можно сделать вывод: чем меньше это расстояние, а значит, больше плотность, тем тепловая проводимость выше. И наоборот. Тот же пористый материал имеет плотность меньше, чем однородный.

У влажной стены тепловая проводимость выше

Влажность – это вода, которая имеет плотную структуру. И ее теплопроводность равна 0,6 Вт/м*К. Достаточно высокий показатель, сравнимый с коэффициентом теплопроводности кирпича. Поэтому когда она начинает проникать в структуру материала и заполнять собой поры, это увеличение тепловой проводимости.

Коэффициент теплопроводности строительных материалов: как применяется на практике и таблица

Практические значение коэффициента – это правильно проведенный расчет толщины несущих конструкций с учетом используемых утеплителей. Необходимо отметить, что возводимое здание – это несколько ограждающих конструкций, через которые происходит утечка тепла. И у каждой их них свой процент теплопотерь.

  • через стены уходит до 30% тепловой энергии общего расхода.
  • Через полы – 10%.
  • Через окна и двери – 20%.
  • Через крышу – 30%.

Теплопотери дома

То есть, получается так, что если неправильно рассчитать теплопроводность всех ограждений, то проживающим в таком доме людям придется довольствоваться лишь 10% тепловой энергии, которое выделяет отопительная система. 90% – это, как говорят, выброшенные на ветер деньги.

Поэтому при строительстве домов стараются использовать разные строительные материалы, дополняющие друг друга по теплопроводности. При этом очень важно соотносить толщину каждого элемента в общей строительной конструкции. В этом плане идеальным домом можно считать каркасный. У него деревянная основа, уже можно говорить о теплом доме, и утеплители, которые закладываются между элементами каркасной постройки. Конечно, с учетом средней температуры региона придется точно рассчитать толщину стен и других ограждающих элементов. Но, как показывает практика, вносимые изменения не столь значительны, чтобы можно было бы говорить о больших капитальных вложениях.

Устройство каркасного дома в плане его утепления

Рассмотрим несколько часто используемых строительных материалов и проведем сравнение их теплопроводность по толщине.

Если у вас возникли вопросы, на которые, как вам показалось, вы не нашли ответы в этой статье, пишите их в комментариях. Наша редакция постарается на них ответить.

Да, в нашей стране, в отличие от стран с жарким климатом, бывают лютые зимы. Именно поэтому нужно строиться из теплых материалов с использованием специальных утеплителей. В ином случае все дорогое тепло от котлов и печей будет уходить через стены и другие перекрытия.

Нам нужно точно знать, какие из современных популярных материалов для утепления наиболее эффективны.

Что такое теплопроводность?

Теплопроводность можно описать как процесс передачи тепловой энергии до наступления теплового равновесия. Температура, так или иначе, будет выровнена, вопрос только в скорости этого процесса. Если применить это понятие к дому, то ясно, что чем дольше температура внутри здания выравнивается с наружной, тем лучше. Проще говоря, насколько быстро дом остывает это вопрос того, какая теплопроводность его стен.

В числовой форме этот показатель характеризуется коэффициентом теплопроводности. Он показывает, сколько тепла за единицу времени проходит через единицу поверхности. Чем выше этот коэффициент у материала, тем быстрее он проводит тепло.

Теплопроводность утеплителей — это наиболее информативный показатель, и чем он ниже, тем материал эффективнее он сохраняет тепло (или прохладу в жаркие дни). Но существуют и другие показатели, которые влияют на выбор утеплителя.

Таблица теплопроводности утеплителей

В таблице указаны данные по наиболее широко применяемым утеплителям, которые используют в частном строительстве: минеральной ваты, пенополистирола, пенополиуретана и пенопласта. Также приведены сравнительные данные по другим видам.

Таблица теплопроводности утеплителей

  1. Утеплитель
Теплопроводность, Вт/(м*С) Плотность, кг/м 3 Паропроницаемость, мг/ (м*ч*Па) «+» «-» Горюч.
Пенополиуретан 0,023 32 0,0-0,05 2.Бесшовный монтаж пеной; 3.Долгосрочность; 4.Лучшая тепло-, гидроизоляция 1.недешевый 2. Не устойчив к УФ-излучению Самозатухающий
0,029 40
0,035 60
0,041 80
Пенополистирол (пенопласт) 0,038 40 0,013-0,05 1.Отлично изолирует; 2. Дешевый; 3. Влагонепроницаем 1. Хрупкий; 2. Не «дышит» и образует конденсат Г3 и Г4. Сопротивление возгоранию и самозатухание
0,041 100
0,05 150
Экструдированный пенополистирол 0,031 33 0,013 1.Очень низкая теплопроводность; 3.Влагонепроницаем; 4.Прочен на сжатие; 5. Не гниет и не плесневеет; 6. Эксплуатация от -50 °С до +75°С; 7.Удобен в монтаже. 1. На порядок дороже пенопласта; 2. Восприимчив к органическим растворителям; 3. Паропроницаемость низкая, образует конденсат. Г1 у марок с антипеновыми добавками, другие Г3 и Г4. Сопротивление возгоранию и самозатухание
Минеральная (базальтовая) вата 0,048 50 0,49-0,6 1.Хорошая паропроницаемость –«дышит»; 2.Противостоит грибкам; 3.Звукоизоляция; 4.Высокая термоизоляция; 5.Механическая прочность; 6.Не сыпется 1.Недешевый Огнеупорный
0,056 100
0,07 200
Стекловолокно (стекловата) 0,041-0,044 155-200 0,5 1.Низкая теплопроводность; 2.При пожарах не выделяет токсичных веществ 1.Со временем теплоизоляция снижается; 2.Может появляться плесень; 3.Проблемный монтаж: волокна осыпаются и наносят вред коже, глазам; 4.Паропроницаемость низкая, образует конденсат. Не горит
Пенопласт ПВХ 0,052 125 0,023 1.Жесткий и удобный в монтаже 1.Недолговечен; 2.Плохая паропроницаемость и образование конденсата Г3 и Г4. Сопротивление возгоранию и самозатухание
Древесные опилки 0,07-0,18 230 1.Дешевизна; 2.Экологичность 1.Портиться и гниет; 2.Теплоизоляционные свойства падают при высокой влажности Пожароопасен

Сравнение «+» и «-» поможет определить, какой утеплитель выбрать для конкретных целей.

Полезные показатели утеплителей

На какие основные показатели нужно обратить внимание при выборе утеплителя:

  • Теплопроводность при выборе утеплителя материала является основным показателем. Чем она ниже, тем лучшая теплоизоляция у этого материала;
  • Плотность напрямую влияет на массу материала, от нее зависит, какая дополнительная нагрузка придется на стены или перекрытия дома. Это очень просто вычислить, зная объем утеплителя и его плотность. Обычно теплоизоляционные свойства падают с ростом плотности материала. Чем легче утеплитель, тем проще с ним работать, а нагрузка на перекрытия будет минимальной;
  • Паропроницаемость показывает, как материал пропускает водяной пар. Высокий коэффициент говорит о том, что материал может увлажняться. Наоборот, низкий коэффициент указывает то, что материал не пропускает пар и образует конденсат. Материалы можно делить на 2 вида: а) ваты – материалы, состоящие из волокон. Они паропроницаемы; б) пены – это затвердевшая пенная масса особого вещества. Не пропускают пар ;
  • Водопоглощение — это способность вещества впитывать воду. Чем она выше, тем менее материал пригоден для утепления, тем более для наружных теплоизоляционных работ, ванной, кухни и других мест с повышенной влажностью;
  • Горючесть довольно понятный показатель, очевидно, что наилучшие материалы для утепления те, которые не горят. Также пригодны самозатухающие варианты;
  • Прочность на сжатие — это способность материала сохранить свою форму и толщину при механическом воздействии. Многие материалы хороши как утеплитель, но могут сжиматься, при этом снижаются их теплоизоляционные качества;
  • Хрупкость нежелательна для утеплителя, хотя и не является основополагающим качеством при выборе;
  • Долговечность определяет срок службы материала;
  • Толщина материала определяет, сколько пространства будет занимать теплоизоляция. При внутренних работах это важно, ведь чем тоньше слой материала, тем меньше полезного пространств он «съест»;
  • Экологичность материала особенно важна при выполнении внутреннего утепления. Нужно обратить внимание, не разлагается ли утеплитель на опасные составляющие, а также не выделяет ли он при пожаре токсичных веществ.

Кто на свете всех теплей?

Цель такого тщательного изучения утеплителей одна — узнать, какой из них лучше всех. Однако, это палка о двух концах, ведь материалы с высокой термоизоляцией могут иметь другие нежелательные характеристики.

Пенополиуретан или экструдированный пенополистирол

Нетрудно определить по таблице, что чемпион по теплоизоляции – это пенополиуретан. Но и цена его гораздо выше, нежели у полистирола или пенопласта. Все потому что он обладает двумя наиболее востребованными в строительстве качествами: негорючесть и водоотталкивающие свойства. Его трудно поджечь, поэтому пожарная безопасность такого утепления высока, к тому же он не боится намокнуть.

Но у пенополиуретана появилась настоящая альтернатива – экструдированный пенополистирол. По сути это тот же пенопласт, но прошедший дополнительную обработку – экструдировку, которая улучшила его. Это материал с равномерной структурой и замкнутыми ячейками, который представлен в виде листов разной толщины. От обычного пенопласта его отличает усиленная прочность и способность выдерживать механическое давление. Именно поэтому его можно назвать достойным конкурентом пенополиуретану. Единственный недостаток монтажа отдельных плит – швы, которые успешно заделываются монтажной пеной.

А уж чем вам удобнее пользоваться – жидким утеплителем из баллончика или плитами, выбирать только вам. Но помните, что эти материалы не «дышат» и могут образовывать эффект запотевших окон, так что все утепление может уйти из форточки во время проветривания. Поэтому утеплять такими материалами нужно разумно.

Минеральная вата или пенопласт

Если сравнивать минеральную вату и пенопласт, то их теплопроводность находится на одном уровне ≈ 0,5. Поэтому выбирая между этими материалами, неплохо было бы оценить и другие качества, такие как водопроницаемость. Так, монтаж ваты в местах с возможным намоканием нежелательна, поскольку она теряет свойства теплоизоляции на 50% при намокании на 20%. С другой стороны, вата «дышит» и пропускает пар, так что не будет образовываться конденсата. В доме, который утеплен ватой из базальтового волокна, не будут запотевать окна. И вата, в отличие от пенопласта, не горит.

Другие утеплители

Весьма популярны сейчас эко-материалы, такие как опилки, которые смешивают с глиной и используют для стен. Однако, такой приятный по цене материал как опилки, имеет много недостатков: горит, намокает и гниет. Не говоря уже о том, что набирая влагу, опилки теряют теплоизоляционные свойства.

Также набирает популярности дешевое и экологичное пеностекло, которое можно применять только без нагрузок, поскольку он весьма хрупок.

Выбирая утеплитель

Цены на энергоносители растут, и вместе с тем растет популярность на утеплители. В нашей статье представлена таблица теплопроводности материалов для утепления и сравнительный анализ популярных видов утеплителей. Главное, что хотелось бы отметить — хорошие показатели вы получите, приобретая только качественный сертифицированный продукт. Выбор теплоизоляционных материалов на рынке весьма широк и один вид утеплителя предлагается более чем пятью производителями. Много из них могут вас огорчить своим качеством, поэтому ориентируйтесь на отзывы тех, кто испытал конкретные торговые марки на «своей шкуре».

Теплопроводность керамзитобетона

Очень маленькая теплопроводность керамзитобетона это один из двух аспектов, которыми керамзитобетон может по праву гордиться. Первый — это его теплопроводность, второй — гидроизоляция. Хотелось бы поподробнее поговорить о теплопроводности керамзитобетона. Теплопроводность керамзитобетона — в этом он и вырывается вперед на уровень, оставляя позади себя всё те же традиционные кирпичи. Конечно, любой здравомыслящий человек старается выбрать материал, который в последующим нужно меньше всего обрабатывать, то есть утеплять, либо теплоизолировать, либо гидроизолировать. Такое стремление к прекрасному обусловлено жесткими финансовыми рамками. И тут на сцену выходит блок из керамзитобетона. Ведь давно уже не секрет, что его плюсами являются не только коэффициент теплопроводности керамзитобетонных блоков и гидроизоляция, но и удивительно низкая их цена.Так уж вышло, что за весьма скромную цену вас ждут всего на всего 0. 3-0. 8 Вт/мГрад – это и есть коэффициент теплопроводности керамзитобетонных блоков. Для весьма объемного блока это очень скромная цифра. Но это плюс не только к тому, что будущие затраты на отопление и теплоизоляцию дома будут сокращены. Также, такая не высокая теплопроводность керамзитобетонных блоков делает такой блок огнеупорным и не горящим, что также имеет огромное значение. Ведь техника безопасности при стройке дома на много дороже любой экономии. Вообще, людьми издревле ценились материалы с низкой теплопроводностью. К примеру, в стуженые зимы не нужно было особо утеплять свое жилье, если оно было выстроено с использованием материалов с низкой теплопроводностью. Теплопроводность керамзитобетонных блоков в идеале зависит от очень многих факторов, начиная от марки бетона и заканчивая маркой песка. Но всё же принято считать, это является правдой, что за теплопроводность отвечает размер керамзита. То есть, чем объемнее и больше гранулы керамзита, тем лучше будет теплоизоляция. ККоэффициент теплопроводности керамзитобетона принято отражать в цифрах, которые несут в себе некую информацию о том, как то или иное вещество может пропускать через себя тепло.

К счастью для нас такие цифры у керамзитобетона очень и очень малы, что дает ему большое преимущество наряду с простыми кирпичами. По сути говоря, теплопроводность керамзитобетонных панелей та же самая, что и у жидкого раствора. Теплопроводность керамзитобетонных панелей очень важна при постройке дома, так как при их посадке на основу, в ней не редко образуются микротрещины, которые в будущем приходится замазывать изолятором. А сами же панели повторно замазывать не приходится из-за не плохой плотности материала. Собственно говоря, из-за этого материал и достигает такой теплопроводности. Конечно, выбор материала для строительства или реставрации здания — это дело сугубо личное. Но, по отзывам многих людей, керамзитобетон — это та самая золотая середина, которую так хочется найти при походе в магазин.

Влияние внутритканевого воздуха на эффективное k порошков

Исследователи, плохо знакомые с измерениями теплопроводности, часто не понимают, почему их металлические порошки обладают такой низкой теплопроводностью. Как правило, исследователь тестирует порошок металла или керамики с высокой электропроводностью и встревожен, когда измеренное значение намного ниже, часто в 100 раз и более, чем первоначально ожидалось. Почему, если твердый материал имеет теплопроводность в несколько сотен Вт/мК, тест на порошке проходит примерно при 0.1-0,5 Вт/мК? Разве он не должен быть выше?

Рис. 1. Порошок бентонита кальция

Ответ может вас удивить: Такая низкая теплопроводность металлического порошка соответствует принятой теории теплопередачи в порошках! В этом сообщении блога мы подробно расскажем о некоторых теориях физики теплопередачи в порошках и о том, почему можно ожидать, что порошки будут демонстрировать эффективную теплопроводность примерно в 50–100 раз ниже, чем у сыпучего материала.

Чтобы понять, почему это так, рассмотрим простой случай одномерной теплопередачи между двумя кусками меди (выше).Хорошо известно, что сама медь имеет теплопроводность около 400 Вт/мК. Таким образом, кусок площадью 1 м2 толщиной 1 см имеет тепловое сопротивление, определяемое следующим уравнением:

Напротив, трехслойная система с двумя кусками меди диаметром 0,45 см и воздушным зазором толщиной 1 мм имеет тепловое сопротивление, определяемое суммированием теплового сопротивления каждого слоя:

Иными словами, мы можем рассчитать эффективную теплопроводность многослойной медной системы, чтобы учесть влияние этого очень тонкого слоя воздуха:

Как видно, 1-миллиметрового слоя воздуха в 1-сантиметровом медном куске достаточно, чтобы снизить эффективную теплопроводность в 100 раз! Это преобладающее влияние воздуха является основной причиной того, что порошки так часто имеют эффективную теплопроводность, которая составляет небольшую долю от объемной теплопроводности.Если учесть, что даже плотно упакованные порошки обычно содержат более 30% воздуха по объему, неудивительно, что порошок может иметь эффективную теплопроводность, составляющую доли процента от теплопроводности чистого материала.

Рис. 2. Случайно упакованный порошок с разным размером частиц.

Конечно, порошок сложнее, чем сэндвич из меди и воздуха: Порошки представляют собой очень сложные системы гранулированных материалов с небольшими, но переменными размерами частиц, в которых частицы часто распределены хаотично (рис. 2).Как и в случае с более широкой категорией гранулированных материалов, они состоят из двух фаз и обладают свойствами, которые могут варьироваться в зависимости от упаковки и объемной доли (плотности). В порошковых смесях также могут присутствовать региональные различия в составе. Кроме того, форма и размер частиц также влияют на общую эффективность упаковки и теплового контакта и, следовательно, на общие эффективные свойства теплопередачи порошка.

С инженерной точки зрения порошки интересны тем, что они широко используются в различных промышленных и технических процессах.Некоторые инженеры утверждают, что гранулированные материалы, в том числе порошки, уступают только воде с точки зрения того, как часто с ними манипулируют инженерными процессами. Таким образом, они были предметом интенсивного изучения с 19 века. Несмотря на эти интенсивные исследования, физика порошков остается не до конца изученной из-за сложности физических взаимодействий.

Ранние попытки моделирования эффективной теплопроводности порошков рассматривали порошки как дисперсную фазу в воздушной матрице на основе теории Максвелла (см. приведенное выше уравнение, где λ_s и λ_g — теплопроводность дисперсных частиц и матрицы соответственно, а f_s – объемная доля дисперсной фазы).Хотя были внесены улучшения (Брюггеман в 1935 г.), модели, основанные на теории Максвелла, обычно ограничены тем фактом, что они не учитывают морфологию частиц или взаимодействия между частицами, и поэтому лучше подходят для материалов с объемной долей твердое < 20%. Большинство порошковых слоев имеют гораздо большую объемную долю.

Рис. 3. Различные способы упаковки порошков. Слева направо: простой куб (SC), [ ii ]  телоцентрированный куб (BCC), [iii ]  гранецентрированный куб, [iv ] ]  Шестигранник, закрытая упаковка. [ vi ]

Ситуацию усложняет то, что частицы порошка не распределяются одинаково на всем пути. Некоторые из них могут быть довольно вздутыми, с дефектами, такими как поры или частицы неправильного размера, вызывающими неоднородность упаковки. В идеальной ситуации, когда размеры частиц регулярны, существует несколько классических способов упаковки, таких как простая кубическая, гранецентрированная кубическая, объемно-центрированная кубическая, ромбовидная кубическая или гексагональная плотная упаковка (рис. 2), которые могут иметь место.Объемные доли твердых частиц для регулярно упакованных твердых фаз сфер приведены в таблице 1. Чаще всего порошковые материалы упакованы беспорядочно. В случае неупорядоченной упаковки объемная доля твердого компонента может варьироваться от 54% до 64%.

Таблица 1. Доля упаковки для распространенных мотивов упаковки правильных сфер.

Вывод из изучения фракций наполнителя с различной структурой порошка заключается в том, что даже самый хорошо упакованный порошок по объему превышает ¼ воздуха! Учитывая доминирующий эффект теплоизоляторов в простом одномерном случае теплопередачи, неудивительно, что теплопроводность порошков часто чрезвычайно низка по сравнению с сыпучим материалом.Тем не менее, учитывая, что большинство порошков не имеют сферической морфологии и не имеют правильной упаковки, как мы можем с большей точностью предсказать эффективную теплопроводность порошков?

Современные модели теплопроводности порошка обычно учитывают эффекты упаковки, морфологии, а более продвинутые даже учитывают эффекты неодинаковых размеров частиц и радиационного теплопереноса. Существуют конкретные модели для определенных типов хорошо изученных структур насадки, но случайный случай по-прежнему трудно смоделировать аналитически, и в настоящее время исследования в значительной степени зависят от численного моделирования.Одной из наиболее совершенных численных моделей теплопроводности порошка является Модель дискретных сопротивлений Гусарова и Ковалева, опубликованная в 2009 г. 

Рис. 4. Расчетное отношение эффективной теплопроводности к теплопроводности газовой фракции порошковых слоев в зависимости от соотношения наполнителя. (Гусаров и Ковалев, 2009) [ vii ]

Модель дискретных сопротивлений предсказывает отношение эффективной теплопроводности порошкового слоя к теплопроводности окружающего газа в зависимости от относительного размера поверхности контакта x, отношение теплопроводностей твердой и газовой фаз λ_s/λ_g , числа Кнудсена Kn и показателя адиабаты γ.На рисунке 3 отношение прогнозируемой эффективной теплопроводности к теплопроводности газа, λ_e/λ_g, дано как функция соотношения наполнителя для различных видов и среднего размера частиц. Как видно на диаграмме, медь с объемной долей около 52% и размером частиц около 30 мкм, по прогнозам, будет иметь эффективную теплопроводность, примерно в 7 раз превышающую теплопроводность окружающих газов. Если окружающим газом является воздух (λ_g=0,025 Вт/мК), это будет соответствовать эффективной теплопроводности приблизительно равной 0.175 Вт/мК.

Как измерить эффективную теплопроводность порошков

Для эффективного измерения эффективной теплопроводности порошков необходимо принять во внимание несколько соображений:

1. Прирост тепла, сообщаемый порошку, должен быть низким по двум причинам: 

Во-первых, чтобы не повлиять на состав порошка – это особенно важно при работе с влажными или гигроскопичными порошками, которые могут испытывать значительное смешивающее действие от испарения воды в случае большого теплового импульса.

Во-вторых, чтобы избежать значительного радиационного воздействия на материал – воздушные зазоры имеют очень низкую непрозрачность для излучения, поэтому эффективная теплопроводность материала может быть искусственно завышена радиационным воздействием, если между ними вводится большой тепловой импульс или температурный перепад. порошок и его окрестности

2. Контакт порошка с зондом или датчиком должен быть равномерным, чтобы обеспечить стабильные результаты

3. Порошок должен быть сжат до уровня, аналогичного условиям его применения – это связано с тем, что сжатие может влиять на плотность упаковки и, следовательно, на теплопроводность порошка

4.Наконец, размер образца должен быть сведен к минимуму как из соображений стоимости образца, так и для обеспечения равномерной плотности упаковки по всему образцу – меньшие образцы менее склонны к образованию пустот, пор и других дефектов упаковки

Отличным решением для измерения теплопроводности порошков является метод модифицированного плоскостного источника переходного процесса (MTPS), поскольку он удовлетворяет всем вышеперечисленным требованиям, с температурным импульсом 1-3°C, плоским датчиком с верхней загрузкой для обеспечение однородности упаковки образцов, принадлежность для испытания на сжатие для обеспечения репрезентативного сжатия и небольшого объема образца – всего 1.8 мл могут быть протестированы.

Пример тому можно увидеть при исследовании Ti-6Al-4V. Чистое твердое вещество имеет теплопроводность приблизительно 7,4 Вт/мК, однако работа, опубликованная Carrion et al. с использованием метода MTPS[viii], охарактеризовала теплопроводность порошкообразного сплава. Результаты испытаний, которые они получили, по сравнению с типичным значением для объемного сплава, приведены на рисунке 5. Как и следовало ожидать, теплопроводность более чем на порядок ниже  для порошка, чем для объемного материала.

Рис. 5. Разница в теплопроводности между порошком и объемной теплопроводностью для Ti-6Al-4V.

В заключение, теплопроводность порошка является сложной функцией морфологии, размера частиц, упаковки и эффективности контактов между соседними частицами. Из-за доминирующего эффекта теплоизоляторов в тепловых системах эффективная теплопроводность порошка обычно намного ниже, чем объемная теплопроводность твердого тела. Типичные значения эффективной теплопроводности систем металлических порошков составляют порядка 3-25x теплопроводности газа, заполняющего пустотную часть порошка, поэтому для металлических порошков в воздухе значения теплопроводности находятся в диапазоне от 0.075 Вт/мК и 0,625 Вт/мК были бы разумными. Можно ожидать, что эффективная теплопроводность теплоизоляционных порошковых материалов, таких как порошки полимеров или аэрогелей, будет несколько ниже.

Ссылки

Дж. Чжоу, Ю. Чжан и Дж.К. Чен. «Численное моделирование случайной упаковки сферических частиц для аддитивного производства на основе порошка». Журнал производственных наук и техники. 2009. 131(031004). 1-8. DOI: 10.1115/1.3123324

[ii]Б.Харбик, Л. Су и Дж. Фонг. «Свойства твердых тел: наиболее плотно упакованные структуры» Физическая и теоретическая химия Химия LibreTexts, Калифорнийский университет в Дэвисе, офис проректора. 2017. Дэвис, Калифорния.

[iii] Крис Хе [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], с Wikimedia Commons

[iv] Каллистер и Ретвиш 5e

[v]Cmglee [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) или GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html)], с Викисклада

.

[vi]Shapely, P. «Структура материалов». Университет Иллинойса, 2012 г. http://butane.chem.uiuc.edu/pshapley/GenChem2/C2/1.html

[vii]А. В. Гусаров, Е. П. Ковалев. ФИЗИЧЕСКОЕ ОБЗОР B 80, 024202 (2009). DOI: 10.1103/PhysRevB.80.024202[viii]P.E. Каррион, А. Солтани-Техрани, Н. Фан и Н. Шамсаи. «Влияние переработки порошка на характеристики растяжения и усталости деталей из Ti-6Al-4V, изготовленных аддитивным способом.Журнал Общества минералов, металлов и материалов JOM (2018). https://doi.org/10.1007/s11837-018-3248-7

Руководство по покупке термопасты

— Newegg Insider

Не все термопасты одинаковы

Поскольку термопасты являются высокомаржинальным продуктом, неудивительно, что рынок настолько переполнен. Но важно отметить, что продукты не все одинаковы. Верхний температурный предел жидкометаллической термопасты может достигать 150°C, хотя на рынке есть пасты, которые утверждают, что способны выдерживать температуры до 300°C и даже выше.

Состав соединения определяет его тепло- и электропроводность, долговечность и вязкость. Пасты изготавливаются из широкого спектра ингредиентов, включая:

  • Оксид цинка
  • Силиконовое масло
  • Керамика
  • Алюминий
  • Медь
  • Серебро
  • Графит
  • Углеродные наночастицы
  • И различные антиоксиданты

Компьютерные энтузиасты могут выбрать металлическую, кремниевую, углеродную или керамическую термопасту, но крайне важно выбрать ту, которая обладает идеальными свойствами для удовлетворения их конкретных потребностей.

Например, геймер с процессором, разгоняемым с головокружительной скоростью, должен быть уверен, что все тепло эффективно отводится от внутренних компонентов компьютера, поэтому он может выбрать металлическую пасту с лучшими свойствами теплопроводности.

Это самые эффективные проводники тепла, но они также обладают высокой электропроводностью. Это означает, что при нанесении пасты на металлические контакты материнской платы необходимо соблюдать крайнюю осторожность.

Керамические термопасты

Они не содержат металла, что означает, что они не проводят ток.Они значительно дешевле, безопаснее в использовании и дают отличные результаты. Вот почему они так популярны. Однако они не дадут такого сильного снижения температуры, как жидкометаллическая термопаста.

Силиконовые термопасты

Они предварительно наносятся на термопрокладки, которые затем помещаются между процессором и радиатором. Силиконовые термопасты очень просты в использовании, но они не обладают такой же эффективностью, как другие типы составов.

Лучше не использовать клейкую теплоотводящую пасту, поскольку она постоянно прилипает к любым компонентам, на которых она используется. Так что, если когда-нибудь возникнет необходимость заменить, например, кулер, с этим возникнут проблемы.

Что следует учитывать при покупке термопасты

Неправильная паста не только повысит температуру ПК, но и ухудшит его работу. Адекватное применение правильного термогеля будет поддерживать охлаждение процессора/графического процессора без разгона или перегрева.

Это несколько факторов, которые компьютерные энтузиасты должны учитывать перед покупкой термопасты, которая будет лучше всего работать для улучшения температуры, а также производительности их ПК.

Вторым фактором, который следует учитывать, является теплопроводность пасты. Важно выбрать пасту с надлежащим уровнем теплопроводности, чтобы обеспечить высокую универсальность и полную надежность, чтобы ваша система была безопасной и прохладной. Каждая термопаста имеет собственный рейтинг теплопроводности, определяющий эффективность передачи тепла от процессора к радиатору.Когда теплопроводность пасты больше температуры компонентов, то она снижается еще больше.

Жидкие и неметаллические соединения имеют разные уровни проводимости. Для жидкой термопасты она обычно составляет 70 Вт/мК (ватт на квадратный метр площади поверхности), в то время как неметаллические соединения имеют проводимость от 4 до 10 Вт/мК. Как правило, чем выше численный рейтинг, тем лучше соединение будет иметь теплопроводность.

Для облегчения процесса нанесения важно выбрать термопасту нужной плотности.Это позволит ему легко втиснуться в ЦП. Жидкая термопаста имеет значительно меньшую плотность, чем обычная термопаста, но, как известно, ее трудно наносить. При выборе правильной пасты необходимо также следить за тем, чтобы паста имела правильную консистенцию для нанесения ее непосредственно на ЦП или ГП без риска повреждения компонентов.

Чем выше вязкость компаунда, тем он гуще и больше похож на настоящую пасту. Этот тип пасты обычно лучше подходит для приклеивания теплоотвода к процессору.Соединения с более низкой вязкостью, как правило, более жидкие, и они имеют тенденцию легко просачиваться на материнскую плату, когда используется слишком много соединения.

Проводящий или непроводящий

Нанесение термопасты на процессор или другие части ПК требует абсолютной осторожности, поскольку возможно короткое замыкание, если паста может проводить электричество. Чтобы гарантировать отсутствие коротких замыканий при нанесении компаунда, рекомендуется выбирать компаунд на основе углерода, не обладающий электропроводностью.Также можно выбрать компаунд с низкой проводимостью, чтобы можно было наносить его без коротких замыканий, даже если паста соприкасается с какими-либо электрическими компонентами.

Расчетная тепловая мощность (TDP)

Расчетная тепловая мощность показывает количество энергии, которое будет использовать процессор. Это можно использовать в качестве оценки, чтобы определить, насколько жарко будет. Процессор с более высоким TDP, скорее всего, будет потреблять больше энергии и, следовательно, выделять гораздо больше тепла. Это еще одна вещь, которую следует учитывать при выборе лучшего термопасты, чтобы убедиться, что он может выдерживать выделяемое тепло, чтобы компоненты были безопасными, прохладными и работали в лучшем виде.TDP указан в спецификациях процессора.

Даже с лучшим термопастом на рынке будет практически невозможно снизить температуру системы, если используемое охлаждающее решение не очень эффективно. Пользователи ПК должны убедиться, что используемая ими система охлаждения способна адекватно справляться с уровнем тепла, выделяемым их процессором. Если нет, то тип выбранного термопасты не имеет значения.

Что такое проводимость металлов?

Проводимость металла — это мера способности материала передавать тепло или электричество (или звук).Обратной величиной проводимости является сопротивление или способность уменьшать поток тех.

Понимание склонности материала к проводимости может быть решающим фактором при выборе этого материала для данного применения. Очевидно, что некоторые материалы выбраны потому, что они легко проводят электричество (например, провод) или тепло (например, ребра или трубки в радиаторе или теплообменнике). Для других применений (таких как изоляция) материалы выбираются потому, что они не очень хорошо проводят ток.

Чистые металлы обеспечивают наилучшую проводимость. В большинстве металлов наличие примесей ограничивает поток электронов. Таким образом, по сравнению с чистыми металлами элементы, добавляемые в качестве легирующих добавок, можно считать «примесями». Таким образом, сплавы имеют меньшую электропроводность, чем чистый металл. Если требуются другие свойства, обеспечиваемые легированием (например, дополнительная твердость или прочность), важно выбрать добавки в сплав, которые не оказывают существенного влияния на проводимость, если это также важно.

Металлы проводят электричество, позволяя свободным электронам перемещаться между атомами. Эти электроны не связаны ни с одним атомом или ковалентной связью. Поскольку одноименные заряды отталкиваются друг от друга, движение одного свободного электрона внутри решетки вытесняет электроны в соседнем атоме, и процесс повторяется — движение в направлении тока, к положительно заряженному концу.

Теплопроводность похожа на электрическую в том смысле, что возбуждение атомов в одной секции приводит к возбуждению и вибрации соседних атомов.Это движение или кинетическая энергия — мало чем отличающаяся от трения рук друг о друга, чтобы согреться — позволяет теплу проходить через металл. Сплавы, представляющие собой комбинацию различных металлических элементов, имеют более низкий уровень теплопроводности, чем чистые металлы. Атомы разного размера или атомного веса будут вибрировать с разной скоростью, что меняет характер теплопроводности. Чем меньше передача энергии между атомами, тем меньше проводимость.

Чистое серебро и медь обеспечивают самую высокую теплопроводность, а алюминий — меньшую.Нержавеющие стали обладают низкой теплопроводностью. Некоторые материалы, в том числе медь, легко проводят как тепло, так и электричество. В то время как другие, такие как стекло, проводят тепло, но не электричество.

Как мы уже отмечали ранее, выбор металла для любого применения, вероятно, сопряжен с компромиссами. Например, рассмотрим выбор металла для посуды. В то время как алюминий является приличным проводником тепла, медь лучше проводит тепло и обеспечит более быстрое и равномерное приготовление пищи — если вы ищете эту быструю еду.Но медь намного дороже. Вот почему вся кухонная посуда, кроме самой дорогой, сделана из алюминия или алюминия с покрытием или оболочкой (алюминий реагирует на соленые и кислые продукты), а не из более дорогой меди. Медь с покрытием из нержавеющей стали – еще один выбор.

Как и в большинстве других случаев, местный металлург может помочь принять экономичное решение по выбору сплава – по проводимости или практически по любым другим желаемым характеристикам.

Более высокая или более низкая теплопроводность лучше? – Реабилитационная робототехника.сеть

Чем выше или ниже теплопроводность лучше?

Теплопроводность материала – это количество ватт, проводимое на метр толщины материала на градус разницы температур между одной и другой сторонами (Вт/мК). Как правило, чем ниже теплопроводность, тем лучше, потому что материал проводит меньше тепловой энергии.

Как изменяется теплопроводность материала по отношению к изменению температуры того же материала?

Вопрос: 1.Как изменяется теплопроводность материала по отношению к изменению температуры того же материала? Теплопроводность материала уменьшается с увеличением его температуры C.

Почему теплопроводность жидкостей уменьшается с температурой?

В газах количество столкновений молекул увеличивается с повышением температуры. С повышением температуры увеличивается хаотичность движений молекул. Это препятствует переносу тепла через жидкости. Таким образом, теплопроводность жидкостей уменьшается с повышением температуры.

Что влияет на теплопроводность?

Теплопроводность является свойством материала. Он не зависит от размеров материала, но зависит от температуры, плотности и влажности материала. Теплопроводность материала зависит от его температуры, плотности и влажности.

Как теплопроводность зависит от температуры?

Влияние температуры на теплопроводность металлов и неметаллов различно.В металлах теплопроводность в основном обусловлена ​​свободными электронами. В сплавах изменение электропроводности обычно меньше, и поэтому теплопроводность увеличивается с температурой, часто пропорционально температуре.

ППУ какой толщины имеет наименьшую теплопроводность?

Минимальная толщина алюминиевых или оцинкованных листов должна быть 0,3 мм. Источник: ASHRAE, 1981. Лучшие изоляционные материалы должны иметь наименьшую теплопроводность, чтобы снизить общий коэффициент теплопередачи.Таким образом, потребуется меньше изоляционного материала.

Является ли материал с высокой теплопроводностью хорошим изолятором?

материал с высокой теплопроводностью быстро передает энергию. материал с низкой теплопроводностью медленно передает энергию и может использоваться в качестве теплоизолятора.

Является ли пух хорошим изолятором?

Лучший утеплитель от природы, пух образует высокие пучки, удерживающие воздух и тепло тела. Это лучший изолятор, потому что гусиный пух с высоким ворсом имеет очень тонкую структуру.Утиный пух менее ценен, чем гусиный, и, следовательно, дешевле, но также сохраняет немного меньшую воздушность.

Является ли перо проводником?

Руководитель программы, профессор химического машиностроения Ричард Вул, сказал, что исследователи обратились к куриным перьям, потому что у них есть полые, но прочные стержни, состоящие в основном из воздуха, отличного проводника электричества.

Почему гусиный пух такой теплый?

Пуховик – это куртка, утепленная мягким и теплым подпером утки или гуся.Пух является фантастическим изолятором, так как объем (или пушистость) пуха создает тысячи крошечных воздушных карманов, которые удерживают теплый воздух и сохраняют тепло, помогая владельцу очень тепло в холодную зимнюю погоду.

Является ли шерсть изолятором или проводником?

Ответ 3: Шерсть — хороший изолятор. Вот почему мы носим шерстяные свитера и куртки, чтобы согреться в холодную погоду. Если бы шерсть была хорошим проводником, она передавала бы тепло от нас к холоду снаружи.

Является ли снег хорошим проводником?

Снег является изолятором.Это плохой проводник тепла из-за его низкой плотности и большого количества воздуха, захваченного между кристаллами снега. Поскольку снег представляет собой относительно чистую воду и в сочетании с его низкой плотностью и большим количеством воздуха, он, вероятно, является плохим проводником электричества.

Почему снег является изолятором?

Снег является настолько хорошим изолятором, что некоторые животные роют снежные пещеры, чтобы впасть в спячку на зиму. Новый снег состоит из большого количества воздуха, попавшего в скопившиеся снежные кристаллы.Поскольку воздух почти не может двигаться, теплопередача значительно снижается.

Является ли снег электропроводным?

Нет. Снег не такой плотный, как вода из-за присутствия воздуха. Воздух предлагает определенное количество «диэлектрической прочности» (Google «диэлектрик») и, следовательно, имеет меньшую электропроводность по сравнению с водой. Имейте в виду, что если напряжение достаточное, молекулы снега/воды/воздуха и т. д. будут ионизироваться и проводить ток.

Является ли лед проводником электричества?

проводит ли лед электричество? A: Да, но это плохой проводник.Ионы H+ не туннелируют очень быстро.

Почему соленая вода лучше проводит электричество, чем чистая вода?

Морская вода имеет относительно большое количество ионов натрия и хлорида и имеет проводимость около 5 См/м. Это связано с тем, что соль хлорида натрия диссоциирует на ионы. Следовательно, проводимость морской воды примерно в миллион раз выше, чем у пресной.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка браузера на прием файлов cookie

Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее распространенные причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Предоставить доступ без файлов cookie потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только та информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, если вы не решите ввести его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступ к остальной части вашего компьютера, и только сайт, создавший файл cookie, может его прочитать.

Поликристаллический SnSe с термоэлектрической эффективностью выше, чем у монокристалла

Полученный реагент элементарного олова (Sn) должен быть очищен перед использованием.Обратите внимание, что мы используем куски Sn чистотой 99,999%, демонстрирующие характерный серебристый блеск. Это было химически восстановлено потоком 4% H 2 /Ar в течение 6 часов при 473 K, около точки плавления Sn, после чего не было обнаружено видимых изменений в цвете поверхности и блеске. Затем металл нагревали при 1223 К в вакуумированной ампуле. Это вызвало образование пепельных черных остатков наверху и на всей поверхности полученного слитка Sn, и он был однозначно идентифицирован как SnO x с помощью спектроскопии в дальней инфракрасной области 17 и атомно-зондовой томографии (APT) (дополнительные рисунки). .1–3). После удаления этих остатков процесс плавления-очистки повторяли до тех пор, пока пепельные черные остатки SnO x не исчезли. Согласно анализу APT, очищенный реагент Sn почти не содержит кислорода (дополнительная рис. 3). Мы обнаружили, что очистка реагента элементарного селена (Se) оказала незначительное влияние на термоэлектрические свойства SnSe. После очистки Sn синтезированные образцы SnSe были измельчены и дополнительно очищены в токе 4% H 2 /96% Ar при 613 K в течение 6 ч.В целях обсуждения образцы, приготовленные с помощью этого двухэтапного процесса очистки, называются «очищенными», а образцы, не подготовленные с помощью этого процесса, обозначаются как «необработанные».

Анализ поверхностного SnO

x в необработанном и очищенном SnSe

Легкое образование поверхностного SnO x в поликристаллических образцах SnSe подтверждается нашими расчетами теории функционала плотности (DFT) (дополнительный рисунок. Примечание). Чтобы исследовать наличие и распределение поверхностного SnO x как в необработанных, так и в очищенных образцах SnSe, мы сначала провели времяпролетную масс-спектрометрию вторичных ионов (TOF-SIMS).Это высокочувствительный к поверхности метод, обеспечивающий химическое картирование с пространственным разрешением вплоть до субмикрометрового масштаба, тем самым обеспечивая широкое распределение поверхностного SnO x в ГБ. Мы нанесли на карту виды SnOH + , чтобы надежно отобразить пространственное распределение кислорода, связанного с оловом.

На рис. 2a,b показаны изображения TOF–SIMS необработанных и очищенных образцов SnSe методом искрового плазменного спекания (SPS). Расплывчатые красные пятна соответствуют распределению SnOH + , которые в очищенном образце SnSe гораздо слабее и менее плотные.Проанализированные данные показывают, что концентрация SnO x в нем в 7,4 раза ниже, чем в необработанном образце. После идентификации ГБ на соответствующих оптических изображениях (дополнительный рис. 5a, b) по ним было выполнено сканирование линейного профиля для концентрации SnO x . Выявлено, что SnO x больше распространено в ГБ, чем во внутренних областях кристаллитов SnSe (рис. 2c, d). Это неудивительно, учитывая процесс уплотнения порошков SnSe, поверхность которых покрыта SnO x .

Рис. 2: Распределение SnO x в необработанных и очищенных поликристаллических образцах SnSe, полученных методом TOF-SIMS.

Поверхность обоих образцов, обработанных SPS, была распылена для образования комплекса SnOH + , количество которого соответствует количеству кислорода, связанного с оловом. Соответственно, карта SnOH + четко представляет распределение поверхностного SnO x на образцах SnSe. a , Изображение SnOH + для необработанного образца SnSe. b , Изображение SnOH + для очищенного образца SnSe. Красные пятна соответствуют SnO x . Белые пунктирные линии обозначают ГБ, которые были определены с помощью оптических изображений соответствующих областей. Шкала баров составляет 10  мкм. c , Концентрация SnO x поперек ГБ по линейному профилю (желтая сплошная линия в a ) для необработанного образца SnSe. d , Концентрация SnO x поперек ГБ по линейному профилю (желтая сплошная линия в b ) для очищенного образца SnSe.Ширина профиля линии 3 мкм, в которой усреднялись концентрации SnO x . Существенное уменьшение поверхностного SnO x ясно наблюдается в нашем процессе очистки.

Исходные данные

Мы дополнительно исследовали поверхность SnO x в областях ГБ в необработанном образце SnSe с использованием сканирующего просвечивающего электронного микроскопа (STEM) с коррекцией сферических аберраций. Репрезентативное изображение кольцевого темного поля под большим углом (HAADF)-STEM показывает наличие обильных наноразмерных осадков, обозначенных белыми стрелками, вокруг ГБ, отмеченных оранжевой пунктирной линией и стрелкой (рис.3а). Соответствующая карта элементов показывает, что они богаты кислородом и лишены селена с незначительными колебаниями концентрации олова по всему образцу, поэтому они идентифицируются как SnO x (рис. 3b–e).

Рис. 3: Распределение и состав SnO x в необработанных и очищенных поликристаллических образцах SnSe.

a , изображение HAADF-STEM для необработанного поликристаллического образца SnSe, на котором видны осадки SnO x вокруг ГБ, как показано белыми стрелками.Масштабная линейка, 20 нм. b , Элементарная карта, записанная на всей территории a с помощью STEM-EDS. Масштабная линейка, 50 нм. c e , Совместное изображение путем наложения сигналов EDS, непосредственно возникающих от атомов O ( c ), Se ( d ) и Sn ( e ) соответственно. f , Трехмерная APT-реконструкция необработанного поликристаллического образца SnSe, представляющая пространственное распределение атомов Sn (зеленый), Se (оранжевый) и O (синий). Масштабная линейка, 50 нм. g , h , Одномерные композиционные профили, показывающие содержание атомов Sn, Se и O в ГБ, обведенном синим цилиндром ( g ), и в богатом кислородом слое, отмеченном зеленым цилиндром ( h ) в f соответственно. i , изображение HAADF-STEM для очищенного образца SnSe, подтверждающее отсутствие SnO x вокруг ГБ. Масштабная линейка, 200 нм. j , Увеличенное изображение HAADF–STEM, сфокусированное на ГБ, показывающее, что два соседних кристаллических зерна образуют плотно соединенную поверхность без промежуточных вторичных фаз.Масштабная линейка, 1 нм. k , Трехмерная APT-реконструкция очищенного SnSe, представляющая пространственное распределение атомов Sn (зеленый) и Se (оранжевый). Атомы O не обнаружены, что подтверждает успешное удаление SnO x с помощью нашего двухэтапного процесса очистки. Масштабная линейка, 50 нм. l , Одномерный композиционный профиль, полученный поперек ГБ, демонстрирующий соотношение атомов Sn и Se в ат. %, которое почти постоянно при единице по образцу. m , Спектр отношения массы к заряду для очищенного образца, подтверждающий отсутствие сигналов от атомов O, как показано синими пунктирными линиями. Оранжевые стрелки и пунктирные линии в a , f , i , j и k указывают на ГБ в образцах.

Исходные данные

Для пространственного определения распределения и состава поверхностного SnO x мы провели APT-анализ необработанного образца SnSe.Он количественно обеспечивает трехмерное распределение составляющих элементов с одинаковой чувствительностью при пространственном разрешении, близком к субатомному уровню, тем самым служит эффективным инструментом для разделения вторичных фаз как в матрице, так и захваченных в ГЗ 18,19,20 . На рис. 3е представлена ​​трехмерная реконструкция игольчатого образца из необработанного образца SnSe. ГБ, отмеченное оранжевой стрелкой и пунктирной линией, расположено с гораздо более высоким числом атомов из-за эффекта локального увеличения 20 .Атомы O с высокой концентрацией агрегированы вдоль ГБ, что совпадает с нашими наблюдениями STEM. Они также просачиваются в зерно, образуя слои SnO x , как видно в верхней части рис. 3f.

Для количественного определения их содержания с большей статистической точностью были сняты одномерные композиционные профили в области, богатой кислородом, а именно, как поперек ГБ, обведенной синим цилиндром (рис. 3ж), так и поперек слоя, обогащенного кислородом как отмечено зеленым цилиндром (рис.3з) на рис. 3е. В этих областях концентрация O превышает примерно 15 ат.% с максимумом, достигающим примерно 30 ат.%, тогда как концентрация Se падает более чем на 20%. Вне их первое быстро уменьшается, и соотношение атомов Sn и Se в составе остается почти постоянным при единице. Типичная толщина поверхностного слоя SnO x на ГБ составляет около 15 нм в необработанном образце SnSe согласно наблюдениям как STEM, так и APT. Даже наноразмерные фазы ГБ могут существенно влиять на зарядовые 21 и тепловые 22 транспортные свойства материалов, что препятствует наблюдению собственных значений 21,22 .

Типичное изображение HAADF-STEM для очищенного образца SnSe не показывает присутствия SnO x в ГБ (рис. 3i). На увеличенном изображении, сфокусированном на ГБ, видно, что два соседних кристаллических зерна образуют плотно соединенную границу раздела без промежуточных вторичных фаз (рис. 3к). Трехмерная реконструкция АПП (рис. 3л) и одномерный профиль состава, извлеченный поперек ГЗ (рис. 3м), показывают, что распределение атомов Sn и Se почти однородно на одном уровне по образцу с незначительной неоднородностью поперек ГБ.Сигнал присутствия атомов О в спектре отношения массы к заряду не обнаружен (рис. 3м). Результаты подтверждают, что наш процесс очистки эффективно удаляет поверхностный SnO x из материалов на основе SnSe.

Сильный положительный эффект нашего процесса очистки наглядно проявляется в термоэлектрических свойствах поликристаллического SnSe. Из-за характерной пластинчатой ​​структуры SnSe (рис. 4а) его термоэлектрические свойства сильно анизотропны 9 .А именно, поликристаллические и монокристаллические образцы обладают наименьшей теплопроводностью ( κ ) вдоль параллельного направления уплотнения (//) и вдоль кристаллографической оси a 9 соответственно. В этих направлениях мы сравниваем κ наших поликристаллических образцов на основе SnSe с указанными значениями для нелегированного монокристаллического образца 9 . Чтобы получить точное значение κ , мы непосредственно регистрировали зависящую от температуры теплоемкость ( C p ) образцов во всем диапазоне температур с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК).Чтобы обеспечить достоверность данных, мы провели измерения для более чем 20 образцов. Значения C p , полученные при трех различных скоростях нагрева 5, 7,5 и 10 K мин −1 соответственно, однозначно подтверждают, что они почти постоянны вне температуры фазового перехода Na 0,03 Sn 0,965 Se независимо от скорости нагрева (рис. 4б). Мы усреднили полученные значения C p и затем получили κ .Усредненное экспериментальное значение C p сравнимо с модельным значением, полученным из предыдущего отчета 10 во всем диапазоне температур.

Рис. 4. Кристаллическая структура и решетка SnSe, κ lat , и полная теплопроводность, κ tot , в зависимости от температуры для нелегированных и легированных Na поликристаллических образцов SnSe до и после процесс очистки.

a , Кристаллическая структура при комнатной температуре (пространственная группа Pnma ), если смотреть вниз по оси b 9 : атомы Sn, синий; Атомы Se, красный. b , Зависимая от температуры теплоемкость ( C p ), измеренная методом ДСК для очищенных образцов Na 0,03 Sn 0,965 Se. Оранжевые, зеленые и фиолетовые сплошные линии обозначают C p , зарегистрированные при скорости нагрева 5, 7,5 и 10 K мин -1 соответственно. Усредненные значения C p представлены красными кружками, которые используются для расчета κ to . C p значения, полученные из предыдущей работы, включены для сравнения (черные кружки) 10 . c , κ lat для необработанных, H 2 -восстановленных без очистки Sn и очищенных образцов SnSe. D , D , κ κ Lat для Na x Sn 0,995- Sn 0,995- Sn Sn Sn Sn Sn Sn Sn Sn Sn Sn Sn Sn sn Sn . e , κ tot образца Na 0,03 Sn 0,965 Se, рассчитанные с использованием C p , полученные в наших экспериментах с ДСК (красные кружки) и полученные из наших экспериментов с ДСК (красные кружки) 10 . f , Воспроизводимость κ до для десяти независимо синтезированных образцов, перекрестная проверка в SNU (образцы 1–4), Netzsch Instruments (Netzsch, образцы 5–7) и Северо-Западном университете (NU, образцы 8– 10). κ лат и κ tot для монокристалла SnSe вдоль оси а даны для сравнения Поликристаллические образцы измеряли параллельно направлению ИПС.

Исходные данные

Сверхнизкая теплопроводность

Процесс очистки снижает решеточную теплопроводность ( κ лат ) для поликристаллического образца SnSe и делает ее сравнимой с указанной для монокристаллов во всем диапазоне температур (рис. 4в). ). Напротив, когда порошок SnSe обрабатывается только пост-H 2 -восстановлением без очистки металлического Sn, уменьшение κ lat невелико. Значения κ lat для необработанных, восстановленных H 2 и очищенных поликристаллических образцов SnSe примерно равны 1.03; Это наблюдение подтверждает, что применение надлежащей процедуры очистки Sn необходимо для раскрытия изначально сверхнизких κ lat в термоэлектрических материалах на основе SnSe.

отверстие допированного Na

Na x Sn 0,995- x .Их κ lat уменьшается с более высокой концентрацией Na из-за слегка смягченной фононной частоты (рис. 4d и дополнительный рис. 6). Самые низкие κ 9032 κ lat примерно 0,17 ( x = 0,01), 0,12 ( x = 0,02) и 0,07 Вт M -1 K -1 K -1 ( x = 0,03) на 783 K , по сравнению с примерно 0,20 Вт м –1  К –1 при 973 К для монокристалла SnSe вдоль оси a 9 .Наблюдаемое значение является одним из самых низких 90 323 κ 90 324 90 320 lat 90 321, зарегистрированных для объемных кристаллических твердых тел. Для сравнения, массивный поликристаллический CsAg 5 Te 3 имеет около 0,18 Вт м –1  K –1 при 727 K (ссылка 23 ) и приготовлен с помощью 2 3 Se вакуумное напыление дает примерно 0,05 Вт м –1  K –1 при 300 K (ссылка 24 ). Образец x  = 0,03 показывает самую низкую общую теплопроводность ( κ до ) среди серий в виде тренда κ lat (дополнительный рис.7). Его κ tot при 300 K примерно на 0,65 выше, чем 0,46 Вт м –1  K –1 монокристаллического образца SnSe. Они показывают сопоставимые κ и при повышенных температурах, а первый демонстрирует более низкий минимум примерно 0,21 Вт м –1  К –1 при 783 К, чем примерно 0,23 К 6 –3 Вт м –1. 1 при 773 K последнего.

Сверхнизкий κ Na x Sn 0.995− x Образцы Se и SnSe до 783 K присутствуют до того, как произойдет резкое эндотермическое тепловое событие, таким образом, фазовый переход оказывает незначительное влияние на сверхнизкое значение κ . На рис. 4e показано, что температурно-зависимые значения κ tot , рассчитанные с помощью нашей DSC C p и смоделированные C p , полученные из предыдущего отчета 10 , сравнимы с 807 327 и 300, κ не занижается модельным C p в этом температурном режиме.

Мы подготовили десять независимых образцов Na 0,03 Sn 0,965 Se и перекрестно проверили воспроизводимость ультранизких κ из двух учреждений, SNU и Северо-Западного университета, а также производителя Netzsch Instruments (рис. 4f). Измерения на всех образцах (четыре из SNU, три из Северо-Западного университета и три из Netzsch) дали погрешность в κ до менее примерно 10% в диапазоне температур 323–773 K.

Свойства переноса заряда

Влияние процесса очистки, по-видимому, незначительно на электрическую проводимость ( σ ) для нелегированных поликристаллических образцов SnSe (дополнительный рис. 8a), поскольку такие образцы имеют очень низкую концентрацию носителей ( n H ), например, примерно 2,5 × 10 17 и 2,0 × 10 17 см -3 при 300 K для необработанного и очищенного поликристаллического SnSe соответственно. В допированном Na x Sn 0.995− x образцы Se с n H примерно 10 19   см −3 , однако процесс очистки, который сводит к минимуму поверхностный SnO x μ H ) (дополнительный рис. 9) и σ во всем диапазоне температур (рис. 5а). σ заметно увеличивается с более высоким содержанием Na в диапазоне температур 300–523   K. Это приводит к улучшенным термоэлектрическим характеристикам образцов в режиме низких и средних температур, что является большим улучшением по сравнению с предыдущими поликристаллическими термоэлектриками SnSe, которые страдают от низкого до в этом диапазоне, что приводит к плохим значениям ZT.Образец x  = 0,03 показывает σ 140 и 118 С см –1 при 423 и 783 К, измеренных параллельно направлению SPS, и 181 и 132 С см7 при тех же температурах. направление СПС.

Рис. 5: Термоэлектрические свойства Na x Sn 0,995– x Se до и после процесса очистки.

a , Электропроводность ( σ ). b , коэффициент Зеебека ( S ). c , Коэффициент мощности (PF). d , значения ZT поликристаллического Na x Sn 0,995– x Se, разработанные в этой работе, и современные поликристаллические термоэлектрики, 2% Na, легированные PbTe-8% SrTe 8 (закрашены розовым цветом) и измельченные в шаровой мельнице и H 2 – восстановленный SnSe-5%PbSe, легированный 1% Na 12 (закрашен зеленым цветом) и монокристаллический SnSe, нелегированный (p-тип, открытый оранжевый) 9 , монокристалл, легированный Na (p-тип, открытый синий) 10 и монокристалл, легированный бром SnSe 11 (открытый черный).Поликристаллические образцы измеряли параллельно направлению ИПС. Дана типичная неопределенность 10% для оценок ZT.

Исходные данные

Коэффициенты Зеебека ( S ) образцов Na x Sn 0,995− x Se почти одинаковы вдоль параллельного и перпендикулярного направления SPS (дополнительный рисунок 10) . Из-за более высокой концентрации дырок значения S ниже, чем в нелегированных образцах SnSe (рис.5б). S немного увеличивается с более высокой концентрацией Na, что согласуется с многозонной природой валентной зоны в этом материале, что увеличивает эффективную массу дырок с более высокими концентрациями дырок, поскольку уровень Ферми понижается, пересекая несколько валентных зон согласно нашим теоретическим расчетам. (Дополнительный рис. 11) и предыдущий отчет 10 . Их S немного увеличено нашим процессом очистки, что делает легирование Na более эффективным. Например, максимум S для x  = 0.03 составляет +322 и +342 мкВ K –1 при 673 K до и после процесса очистки соответственно. Высокая воспроизводимость значений σ и S была подтверждена с использованием многочисленных независимо синтезированных образцов (дополнительная рис. 12).

Одновременное увеличение σ и S очищенных образцов Na x Sn 0,995− x Se приводит к улучшению коэффициента мощности (рис. 5c), который имеет тенденцию к увеличению с ростом концентрации Na. .Образец x  = 0,03 имеет коэффициент мощности около 9 мкВт см –1  К –2 в широком диапазоне температур 473–783 К с максимумом примерно 9,62 мкВт см –1 при 498 K параллельно направлению SPS. Максимальный коэффициент мощности составляет примерно 12,06 мкВт см –1  K –2 при 473 K перпендикулярно направлению SPS, что является самым высоким значением, зарегистрированным для поликристаллических материалов на основе SnSe.

Термоэлектрическая добротность

Процесс очистки одновременно увеличивает σ и S и уменьшает κ до для Na x x .995− x образцов Se, что приводит к необычайно высокой термоэлектрической добротности ZT. Она увеличивается с увеличением концентрации Na. Образец x  = 0,03 демонстрирует максимальное ZT (ZT max ) примерно 3,1 при 783 K, что является самым высоким показателем для любой термоэлектрической системы. Эти сверхвысокие термоэлектрические характеристики достигаются ниже температуры фазового перехода, как видно из наших результатов ДСК (рис. 4b), что подтверждает отсутствие завышения ZT при фазовом переходе.Для сравнения, монокристаллы SnSe p- и n-типа демонстрируют ZT max примерно 2,6 при 923 К (ссылка 9 ) и 2,8 при 773 К (ссылка 11 ) соответственно (рис. 5d). . Среди поликристаллических термоэлектрических систем с наивысшими характеристиками были PbTe-8%SrTe, легированные 2% Na (ZT макс. , примерно 2,5 при 923 K, ссылка 8 ), измельченные в шаровой мельнице и H 2 -восстановленный SnSe-5. %PbSe, легированный 1% Na (ZT max примерно 2,5 при 773 K, ссылка 12 ).ZT для Na 0,03 Sn 0,965 Se уже превышает единицу выше 473 K, при этом температурном режиме немногие материалы демонстрируют сопоставимые характеристики. Он демонстрирует рекордно высокое среднее значение ZT 25 примерно 2,0 от 400 до 783 К (дополнительный рисунок 13). Отклонение значений ZT в зависимости от температуры при последовательных циклах нагрева и охлаждения составляет менее 10%, что указывает на перспективу стабильной работы от 300 до 783 K для выработки термоэлектрической энергии (дополнительные рисунки 14 и 15).

Мы пришли к выводу, что следы SnO x в исходном реагенте металлического олова, используемом для приготовления образцов SnSe, постоянно скрывают свойства собственного заряда и переноса тепла SnSe и не позволяют полностью реализовать термоэлектрические характеристики. При правильной очистке и легировании с использованием описанных выше методов поликристаллический SnSe демонстрирует необычайно высокое ZT, примерно 3,1, превосходя любые другие объемные термоэлектрические системы. Сверхвысокие термоэлектрические характеристики действительно обусловлены внутренней кристаллохимией этого простого, но замечательного бинарного соединения SnSe, и это является хорошим предзнаменованием для будущей разработки этого материала, который будет влиять на приложения для производства электроэнергии за счет отработанного тепла.Это открытие имеет более широкие последствия для того, как другие системы должны быть обработаны в будущем, и требует пересмотра процессов синтеза и подготовки образцов для широко изученных термоэлектрических систем, особенно тех, которые содержат олово.

Определение теплопроводности, удельного электрического сопротивления и безразмерной добротности (ZT) термоэлектрических материалов методом спектроскопии импеданса до 250 °C: Journal of Applied Physics: Vol 124, No 2

Спектроскопия импеданса показана как перспективный метод для характеристики термоэлектрических (ТЭ) материалов и устройств.В частности, сообщалось о возможности определения теплопроводности λ , электропроводности σ и безразмерной добротности ZT ТЭ элемента, если известен коэффициент Зеебека S , хотя так далеко для высокоэффективного ТЭ материала (Bi 2 Te 3 ) при комнатной температуре. Здесь мы демонстрируем возможности этого подхода при температурах до 250 °C и для материала со скромными ТЭ-свойствами.Кроме того, мы сравниваем полученные результаты со значениями, полученными на коммерческом оборудовании, и количественно оцениваем точность и достоверность метода. Это достигается путем измерения импеданса материала скуттерудита, находящегося в контакте с медными контактами. Метод показывает превосходную точность (случайные ошибки <4,5% для всех свойств) и очень хорошее совпадение с результатами коммерческого оборудования (<4% для λ , между 4% и 6% для σ и <8% для ZT). ), что доказывает его пригодность для точной характеристики объемных ТЭ материалов.В частности, возможность получения λ с хорошей точностью представляет собой полезную альтернативу методу лазерной вспышки, который обычно дает более высокие ошибки и требует измерения дополнительных свойств (плотность и удельная теплоемкость), которые не обязательно необходимы для получения ЗТ .

БЛАГОДАРНОСТИ

B.B.P. и J.G.C. признательны за финансовую поддержку со стороны испанского агентства Estatal de Investigación в рамках программы Ramón y Cajal (RYC-2013-13970), со стороны Universitat Jaume I в рамках проекта No.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.