Nach dem Backen bei 1200 Grad können Sie es immer noch direkt mit Ihren Händen anfassen! Was für ein Artefakt ist das?

Haben Sie sich beim Zubereiten von heißem Wasser schon einmal diese Frage gestellt: Warum wird es so heiß, wenn man heißes Wasser aus einer Glastasse holt, während eine Thermoskanne das Wasser warm halten kann, ohne heiß zu werden?

Darüber hinaus gibt es ein magisches Material – Wärmedämmfliesen, die nach dem Erhitzen auf 1200 Grad direkt in der Hand gehalten werden können. Warum sind diese Artikel so unterschiedlich?

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01. Warum ist die Glastasse heiß, die Thermoskanne jedoch nicht?

Glas ist heiß, weil Glas ein guter Wärmeleiter ist . Die Mikrostruktur von Glas ist relativ dicht. Obwohl die inneren Struktureinheiten wie Silizium-Sauerstoff-Tetraeder nicht so regelmäßig angeordnet sind wie Kristalle, können sie eine kontinuierliche Netzwerkstruktur bilden, und Wärme kann schnell entlang dieser Netzwerkstruktur übertragen werden. Wenn also heißes Wasser mit der Tasse in Berührung kommt, wird die Wärme schnell durch die Tassenwand geleitet und wir spüren, dass sie sehr heiß ist, wenn wir die Tasse berühren.

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Der Thermosbecher ist weder zu heiß noch zu kalt und kann warm halten, hauptsächlich aufgrund seines einzigartigen Strukturdesigns und der Materialauswahl.

Der Thermosbecher besteht im Wesentlichen aus einer Innenauskleidung, einer Außenhülle und einer Vakuumschicht in der Mitte. Die Vakuumisolationsschicht in der Mitte ist der Schlüssel dazu, dass der Thermosbecher warm bleibt und nicht heiß wird . Vakuum ist ein räumlicher Zustand, in dem keine materiellen Teilchen (Moleküle, Atome usw.) existieren. Aufgrund der Abwesenheit von Materialpartikeln kann in der Vakuumschicht keine Wärme durch Wärmeleitung übertragen werden.

Wärmestrahlung ist eine weitere Möglichkeit der Wärmeübertragung, die kein Medium benötigt und in Form elektromagnetischer Wellen übertragen werden kann. Der Innenbehälter einer Thermosflasche besteht meist aus metallischen Werkstoffen wie Edelstahl, auch die Außenhülle ist in der Regel aus Metall. Auf der Oberfläche des Innenfutters und der Außenschale befindet sich eine Beschichtung oder Beschichtung . Durch diese spezielle Oberflächenbehandlung des Materials kann die Übertragung der Wärmestrahlung zusätzlich reduziert werden , so dass wir beim Berühren der Außenhülle der Thermosflasche kein Hitzegefühl verspüren[1].

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02. Warum kann man „Wärmedämmplatten“ nach dem Brennen bei 1200 Grad noch direkt in der Hand anfassen?

Isolierfliesen sind Platten aus hochtemperaturbeständigen Materialien wie Keramik und Fasern, die zur Blockierung der Wärmeübertragung dienen und normalerweise aus speziellen Keramikmaterialien oder Verbundwerkstoffen bestehen. Beispielsweise verwenden Verbundwerkstoffe mit Keramikmatrix Keramik als Matrix und fügen dann einige Verstärkungsphasen hinzu. Bei diesen Verstärkungsphasen kann es sich beispielsweise um Fasern, beispielsweise Kohlenstofffasern handeln. Keramik selbst verfügt über eine gewisse Hochtemperaturbeständigkeit und Wärmedämmeigenschaften. Durch die Zugabe von Kohlefasern kann die Materialleistung weiter verbessert werden. Kohlefaser hat eine hohe Festigkeit, geringe Dichte und eine gute Wärmeleitfähigkeit. In Kombination mit Keramik kann es die Wärmeleitung in der Keramik bis zu einem gewissen Grad verhindern [2].

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Aus Sicht der Wärmeleitung besteht in der Wärmedämmplatte eine Grenzfläche zwischen der Keramikmatrix und der Verstärkungsphase . Diese Schnittstelle kann die Phononen der Wärmeausbreitung (eine quantisierte Form der Wärmeausbreitung in einem Festkörper) streuen , wodurch die Wärme kontinuierlich gestreut wird, während sie innerhalb des Materials geleitet wird, wodurch die Wärmeleitfähigkeit des Materials verringert wird. Gleichzeitig wird der Wärmeausbreitungsweg in dem Material aufgrund seiner komplexen Mikrostruktur gewunden und nicht so direkt wie in gewöhnlichen Materialien, was ebenfalls die Effizienz der Wärmeübertragung verringert.

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Im Hinblick auf die Wärmestrahlung kann die Oberfläche der Wärmedämmplatte speziell behandelt werden, beispielsweise durch Auftragen einer Beschichtung mit geringer Emissivität. Diese Beschichtung kann den größten Teil der Wärmestrahlung reflektieren und die von der Isolierfliese selbst aufgenommene Wärme reduzieren. Darüber hinaus hat die Materialstruktur im Inneren der Wärmedämmplatte auch eine gewisse Absorptions- und Streuwirkung auf die Wärmestrahlung, wodurch die durch Wärmestrahlung übertragene Wärme weiter reduziert wird [3-4].

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03. Welche Anwendungen gibt es für „Wärmedämmplatten“?

Wärmedämmplatten spielen mit ihren magischen Wärmedämmeigenschaften in vielen Bereichen eine unersetzliche Rolle. Wenn beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt ein Raumfahrzeug in die Erdatmosphäre zurückkehrt, entstehen auf der Oberfläche des Raumfahrzeugs aufgrund der Hochgeschwindigkeitsreibung extrem hohe Temperaturen (bis zu 1650 °C oder sogar mehr). Die Wärmedämmplatten auf der Oberfläche des Raumfahrzeugs können die hohen Temperaturen von außen vom Inneren des Raumfahrzeugs isolieren und so sicherstellen, dass die Innentemperatur in einem angemessenen Bereich bleibt. Dadurch wird die Sicherheit der Instrumente und Geräte im Raumfahrzeug sowie der Astronauten gewährleistet.

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In einigen Hochtemperatur-Industrieanlagen, wie beispielsweise metallurgischen Öfen, Glasschmelzöfen usw., können Isolierfliesen zur Isolierung der Ofenwände verwendet werden . Durch die Installation von Isolierfliesen an der Ofenwand können Wärmeverluste verringert, der Brennstoffverbrauch gesenkt und die Energieeffizienz verbessert werden. Gleichzeitig können Wärmedämmplatten auch die Auswirkungen der hohen Strahlungstemperatur auf Arbeiter und umliegende Geräte verringern und so die Arbeitsumgebung verbessern.

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Wärmedämmplatten finden auch Anwendung im Bereich von Hochtemperaturkomponenten, beispielsweise in Automotoren. Ein Automotor erzeugt während des Betriebs viel Wärme. Wenn diese Hitze nicht wirksam kontrolliert werden kann, beeinträchtigt sie die Leistung und Lebensdauer des Motors. Wärmedämmplatten können die vom Motor erzeugte Wärme von anderen Teilen des Fahrzeugs isolieren. Dies trägt nicht nur zur Verbesserung der thermischen Effizienz des Motors bei, sondern verhindert auch die Wärmeübertragung ins Cockpit und verbessert so den Fahrkomfort.

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung von Wissenschaft und Technologie wird sich die Leistung von Wärmedämmplatten weiter verbessern und ihre Anwendungsbereiche werden sich weiter ausweiten.

Verweise

[1] Lied Shiqi. Ein Thermosbecher und sein Herstellungsverfahren: CN201010545440.7[P]. 22.06.2011.

[2] Wang Kangtai, Feng Jian, Jiang Yonggang et al. Forschungsfortschritt bei starren Dämmplatten aus Keramikfasern [J]. Materials Review, 2011, 25(23): 35-39.

[3] Lan Zhidan, Ren Weimin, An Nan et al. Forschungsfortschritt bei Wärmedämmplatten aus Keramikfasern und deren hochemissiven Beschichtungen [J]. Bulletin der Chinesischen Keramikgesellschaft, 2023, 42(12): 4465-4474.

[4] Li Yizhen, Zhu Shizhen, Wang Hui et al. Herstellung und Eigenschaften einer ablations- und oxidationsbeständigen Beschichtung mit hoher Emission auf der Oberfläche von kohlenstoffbasierten keramischen Dämmplatten[J]. Seltene Metallmaterialien und -technik, 2020, 49(2): 533-539.

Autor: Xu Yan, Doktorand in Materialwissenschaften an der Fudan-Universität

Planung & Bearbeitung: Ding Dong

Danksagung: Professor Ma Ruguang von der School of Materials Science and Engineering der Suzhou University of Science and Technology lieferte wissenschaftliche Beratung für diesen Artikel

Dieses Projekt wurde vom Science Popularization Project der Shanghai Science and Technology Commission (Projektnummer: 24DZ2304000) unterstützt.