氣凝膠蜂窩板在高寒地區營房建設中應用與性能分析及粘接工藝

苗星星，高璇怡，張曉瑜，陳 振，劉 健，吳佳瑩

(中國人民解放軍32317部隊，新疆 烏魯木齊 830042)

氣凝膠指的是多孔多功能材料，保溫隔熱性能良好，在室溫下的氣凝膠導熱系數為0.0311 W/(m·K)，即便是在高溫高濕環境中，也具有0.0486 W/(m·K)的低導熱系數[1]，氣凝膠具有優良的性能。氣凝膠復合材料的孔隙率比較高、導熱系數比較低等，但是抗壓性能不好[2]。為了解決力學性能比較差的問題，國內外研究人員利用添加纖維、遮光劑的方法進行改良，進一步加強復合氣凝膠材料的研發，將氣凝膠材料與其他材料合理結合，有效增強材料使用性能，彌補氣凝膠材料的不足。紙蜂窩的質量比較輕，能夠實現回收處理，屬于新型的環保材料，具有明顯的承壓、隔熱和自重輕等優勢。探討氣凝膠蜂窩板保溫材料在野外營房建設中應用，有較好的發展前景。

1 氣凝膠蜂窩板保溫材料的性能分析

1.1 試驗材料分析

SiO2氣凝膠：粒徑為50 μm，導熱系數為0.021 W/(m·K)；聚氯乙烯塑料薄膜；擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板，導熱系數為0.036 W/(m·K)。導熱系數使用熱常數分析儀實現測試[3]。

1.2 復合板制作流程與粘接工藝

1.2.1氣凝膠蜂窩板制作的流程

通過AutoCAD繪制圖紙，實現框架平面的創建，設置為20 cm×20 cm，通過平米昂定點排布蜂窩孔，通過間隙大小的改變繪制不同孔隙率的圖紙，最終使用的圖紙孔隙率為2.5、3.5、4.0與5.0 mm。利用激光雕刻機打孔，設置氣凝膠蜂窩板骨架的切割速度為60 mm/s，激光功率20 W[4]。

1.2.2粘接工藝

使用熱熔膠槍根據一行行的間隔板涂抹熱熔膠，因為溫度降低會對熱熔膠粘接效果造成影響，可以使用單行粘接實現粘接[5]。使熱熔膠槍根據框架單行涂抹熱熔膠，在整體框架覆蓋塑料薄膜，輕按粘接處，充分粘接框架和熱熔膠；

在孔洞中倒入適量的氣凝膠，并且不同孔中氣凝膠的用量要均勻，輕微振蕩1 min后添加，直到全部孔洞氣凝膠全部填充完成[6]。在進行填充的時候要求每個蜂窩孔覆蓋并且對邊框敲擊，覆蓋氣凝膠沉淀，重復2～3次后將框架面中多余氣凝膠清理后在另外一面密封完成粘接。

1.3 試驗方案的設計

1.3.1氣凝膠蜂窩板的導熱系數

不同孔隙率的骨架模型如圖1所示。制作這4種規格不同的氣凝膠蜂窩板，通過熱流技法測試導熱系數，試驗板材尺寸：20 cm×20 cm。氣凝膠蜂窩板為試驗組，XPS擠塑板為對照組。在測試過程中，每塊板材使用2組一樣測試參數[7]，模型參數如表1所示。

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

表1 模型參數Tab.1 Model parameters

1.3.2隔熱性能測試的流程

將氣凝膠蜂窩板設置到恒溫熱板中，熱板的面積設置為25 cm×24 cm，溫度設置為45 ℃，氣凝膠蜂窩板的表面不和空氣接觸[8]。在試驗過程中使用八個熱電偶對氣凝膠蜂窩板的表面溫度進行測試。利用兩個熱電偶對恒溫熱板表面溫度進行測試，通過兩個熱電偶測試恒熱板的表面溫度，根據兩個熱電偶空氣凝膠蜂窩板測試表面周圍環境溫度。為了避免外邊界輻射的影響，使用錫紙將探頭包裹[9]。

使用安捷倫數據采集儀對溫度數據進行收集，根據平板式織物保溫儀進行測試。將實驗板設置到保溫儀熱板中，設置熱板初始溫度值為 (45±0.5)℃，設置板材表面周圍的空氣溫度為(22±0.5)℃，每隔10 s都要讀取數據，30 min為一個測試時間[10]。

2 試驗結果分析

2.1 熱防護系統溫度場的分布

熱防護結構溫度根據厚度方向降低，因為蜂窩結構與機身蒙皮材料導熱系數比較大，降低了蜂窩結構與蒙皮溫度梯度，在氣凝膠隔熱材料層溫度梯度比較大。蜂窩結構能夠及時加熱到最高的溫度中，蜂窩夾芯板溫度接近于1 000 ℃。降低隔熱材料熱傳導系數，隔熱層溫度根據厚度方向線性減小，使大部分的熱量隔離在熱防護系統外部，溫度場分布如圖2所示。

圖2 溫度場分布Fig.2 Temperature field distribution

通過溫度場分布圖表示，結構中金屬支架熱短路效應，機身蒙皮溫度分布并不均勻。在金屬支架和蒙皮接觸位置中，蒙皮溫度最高為313 ℃，為最低溫度的兩倍，蒙皮支架安裝孔邊緣溫度是最高的。在結構外表面，短時間內的溫度不斷上升，之后逐漸穩定。在結構內部，溫度上升比較緩慢，溫度在時間增加過程中不斷的加快，但是溫度增加速率降低[11]。

2.2 室溫長時蠕變的影響

以室溫長時蠕變試驗表示，通過預緊力作用，氣凝膠能夠使出現蠕變變形行為。此時，隔熱材料蠕變變形會降低預緊力。在0.05 MPa的壓應力中，通過180 h能夠使親凝膠室溫蠕變設置為0.105%，蠕變變形如同支架初始預防開位移比較小，只是初始張開位移1.3%，如果支架施加預緊力在彈性狀態，預緊荷載降低1.3%。隔熱材蠕變變形會降低TPS裝配預緊力，只是降低1.3%。所以，氣凝膠蜂窩板室溫長時蠕變性能并不會影響到裝配完整性[12]。

2.3 導熱系數分析

在預試驗過程中，孔徑、厚度等紙蜂窩板不同，并且具有較大的，要以紙蜂窩的孔徑與厚度進行單因素的實驗。

2.3.1厚度的影響

為了對紙蜂窩厚度對導熱系數影響進行分析，保證芯紙和面紙的克重不變的情況下，對比不同厚度紙蜂窩導熱性能[13]。恒溫恒濕箱溫濕度環境設置為23 ℃、80%，孔徑設置為10 mm的紙蜂窩測試，紙蜂窩導熱系數和厚度的關系如圖3所示。

圖3 紙蜂窩導熱系數和厚度的關系Fig.3 Relationship between thermal conductivity and thickness of paper honeycomb

從圖3可以看出，紙蜂窩導熱系數隨厚度不斷增加而增大，也就是紙蜂窩厚度越小，紙蜂窩的隔熱性能就會越好。

2.3.2孔徑的影響

為了對孔徑是否影響到紙蜂窩導熱系數，保證面紙和芯紙的克數不發生改變，對比不同孔徑大小紙蜂窩導熱性能。在相同環境中實現測試，測試結果如圖4所示。

圖4 測試結果Fig.4 Test results

從圖4可以看出，紙蜂窩導熱系數在孔徑不斷增加的過程中也在增加。紙蜂窩孔的孔徑低，就會提高隔熱性能。與實心紙板對比，紙蜂窩nebula的干燥氣體量比較大，干燥氣體導熱系數比固體要低，具有明顯的隔熱效果。

從圖3、圖4可以看出，紙蜂窩的與一般材料的導熱規律相反[14]。出現此種情況是因為如果蜂窩孔徑小，那么內部并不會存在熱對流的情況，要忽略蜂窩孔徑中的對流傳熱效果。此時，利用蜂窩孔輻射與材料的傳熱創建紙蜂窩的傳熱；那么，蜂窩孔徑小，紙蜂窩導熱系數比較小。

2.4 氣凝膠紙蜂窩夾層板的導熱系數

保溫層在實際使用的過程中，聚氨酯泡沫厚度為25～38 mm，只需要對10+10(mm)、15+10(mm)、20+10(mm)的組合結構進行測定，也就是不改變紙蜂窩厚度，氣凝膠復合材料厚度為10、15、20 mm，圖5為測試結果[15]。

圖5 測試結果Fig.5 Test results

從圖5可以看出，會不斷的增加氣凝膠紙蜂窩夾層板導熱系數，在氣凝膠厚度為10、15 mm，夾層板導熱系數比為0.03 W/(m·K)，使營房建設保溫材料使用標準得到滿足。

2.5 氣凝膠紙蜂窩夾層板和聚氨酯導熱性能

0.021 W/(m·K)為聚氨酯泡沫材料導熱系數，但是其屬于多孔發泡型的材料，材料配比、發泡溫度等都會對聚氨酯的導熱系數造成影響，高寒地區營房環境具有較大的濕度，就會增加導熱系數。在進行施工的時候，每層的聚氨酯泡沫噴涂25～28 cm。為了使氣凝膠紙蜂窩夾層板和聚氨酯導熱性能進行對比，測定20 mm與30 mm兩種厚度材料的導熱系數，測定結果如圖6所示。

圖6 測定結果Fig.6 Measurement results

從圖6可以看出，保溫隔熱板的厚度不同，氣凝膠導熱系數低于聚氨酯。具有相同隔熱性能的時候，聚氨酯泡沫保溫層的厚度比較大，能夠利用氣凝膠蜂窩夾層復合材料設置營房空間，從而節約建筑面積。

3 焊接工藝

建筑鋼結構普遍應用到高寒地區施工中，由于焊接作用環境會對鋼結構焊接質量造成影響，那么低溫焊接技術針對焊接質量控制具有重要作用[19]。環境溫度影響焊接的表現為：其一，在焊接頭冷卻速度變快時，焊接冷裂紋的敏感性也會增加；其二，加劇焊接殘余應力作用；其三，降低預熱效果。熱源在低溫環境中一樣，無法使常溫焊接余熱效果得到實現。所以，極端環境下野外營房阻焊過程為：

(1)優選焊接材料。使用HW707Ni低溫焊條，此焊條為低氫鈉的低溫鋼焊條，在-70 ℃時具有良好的焊縫金屬沖擊韌性，實現全位置的焊接；

(2)焊鉗防護。通過焊接區域實現封閉區間的創建，避免大量熱量的損失。另外，利用保溫措施對韓啟平保護。在鋼結構低溫焊接施工過程中，以實際情況對焊接工藝進行評定；

(3)使用合理焊接措施。在焊接之前將油污、鐵銹和水分清除，實現短弧操作。適當加大定位焊的熱輸入,增大焊縫截面和長度,并采用與正式焊接相同的預熱條件，使焊接層間溫度進行嚴格控制。在焊接之前，焊條要通過350 ℃烘焙1 h，隨時烘焙隨時使用。加熱區域超過100 mm范圍，焊接層之間溫度比預熱溫度高[20]；

(4)焊接后熱保溫。在焊接之后，實現焊接接頭的后熱保溫處理，逸出氫氣，避免溫度降速過快導致冷裂紋，適當的后熱溫度能夠使預熱溫度得到降低。

4 結語

氣凝膠結合建筑節能技術，能夠不斷的發現實際使用價值，使建筑行業綠色化發展得到促進。分析了氣凝膠蜂窩板保溫材料的性能，對氣凝膠建筑材料制作工藝進行優化，提出了高寒地區營房建筑的施工措施。通過分析結果表明，能夠降低氣凝膠建筑材料工藝成本，開拓氣凝膠蜂窩板保溫材料的應用前景。