应用说明

测试3D打印建筑材料的各向异性导热系数

Dietmar Stephan教授和Sang-Yeop Chung博士（柏林工业大学，建筑材料与化学系） 在这项工作中，使用Hot Disk TPS 2200（Hot Disk AB，瑞典）设备测量了具有不同取向的3D打印建筑材料样品的导热系数。获得的热性能参数直接用于评估材料在热流和隔热方面的性能，并可作为数值分析的输入参数。以下是Hot Disk设备在建筑材料的几个应用示例。

使用Aer固体制作的绝热水泥浆试样说

为确保水泥浆试样内部空隙均匀分布，我们采用了‌小型预制空心聚合物球（Aer固体）‌。这些球体被用于制作绝热水泥浆试样，旨在‌增强试样的绝热性能‌。我们生产了一系列立方水泥浆试样，这些试样中‌含有不同比例的Aer固体‌。此系列试样的制作目的是‌评估孔隙率对试样热性能的具体影响‌。

Fig. 1 Insulating specimens.

图1 绝热样品

Fig. 2 Hot Disk device set for evaluating thermal property.

图2. 用于评估热性能的Hot Disk设备

Table 1 Thermal conductivity of insulating specimens given by FE analysis and the Hot Disk device.

表1. 通过FE分析和Hot Disk装置给出的绝热试样的导热系数。

在图1中，NB代表试样中‌无气泡‌，SB代表‌少量气泡‌，LB代表‌大量气泡‌。
表1显示，两种方法所得结果差异处于合理范围，且性质趋势相似，即导热系数随空隙比增加而降低‌。

孔隙对隔热混凝土导热系数的影响

本研究的主要目的是研究各向异性孔隙对绝缘混凝土的导热性能和强度的影响。为此，我们准备了一系列具有各向异性人工孔隙和各向同性孔隙的绝热试样，以比较具有不同孔隙形状的绝热材料的物理特性。绝热混凝土试样的导热系数值是使用符合ISO标准（22007-2）的Hot Disk（瑞典Hot Disk AB）测量的。

Fig. 3 Hot Disk device and its operation process for measuring thermal properties.

图3 Hot Disk设备和测量导热性能的操作过程

Fig. 4 Specimens with insulations (left) and µ-CT image of Sample 1 with anisotropic insulations (right).

图4 绝热样品（左）和含有各向异性绝热的样品1的µ-CT图像（右）。

Fig. 5 Comparison of the thermal conductivity.

图5 导热系数的对比

在实验评估中，对图4中的每个样品和方向进行6次重复测量，以提高准确性，并通过排除极端值来计算平均值。图5展示了从实验和模拟中获得的导热系数值。该图中的数值差异可以被认为在合理的范围内，随着空隙比的增加也会存在差异。

不同骨料尺寸的轻质混凝土

Liaver®（德国伊尔梅瑙）是一种膨胀玻璃颗粒，因其非常低的密度和吸水特性，用作轻质混凝土试样（LWC）的轻质骨料。


Fig. 6 Liaver® lightweight aggregate.

图6 Liaver®轻质骨料

Fig. 7 Thermal conductivities of the LWC samples.

图7  LWC样品的导热系数

图7显示了从实验和数值方法中获得的样品与试样密度相关的导热系数值。在这个图中，每个数字都表示一个分级系数。可以确定与密度和分级相关的导热系数的一般趋势。从Hot Disk中获得的数值数据和实验数据显示出几乎相同的趋势，这表明该设备可以有效地用于预测具有不同分级曲线的LWC样品的相对热性能。

不同密度的泡沫混凝土

这项研究旨在通过数值和实验方法调查泡沫混凝土的孔隙特征和材料响应之间的相关性。使用与ISO标准（22007-2）的Hot Disk仪器对泡沫混凝土试样的物理特性进行实验测量。

Fig. 8 Foamed concrete with different densities.

图8 不同密度的泡沫混凝土。

Fig. 9 Thermal conductivity in different directions.

图9 不同方向的导热系数

在图9中，导热系数随着试样密度的增加而增加。可以验证孔隙特征和导热性能之间的关系；导热系数更大，因为试样沿该方向包含更大的孔隙簇，可以为该方向固定更多的固体区域，以便热量可以流动。这些结果证实，泡沫样品的导热系数受到材料密度以及孔隙形状和分布的强烈影响。

带有各向异性孔隙的3D打印样品

本研究的目的是研究各向异性孔隙对绝热介质的导热系数和方向模量的影响。为此，设计了一系列含有各向异性（椭圆）孔隙的绝热介质，以比较不同孔隙比、尺寸和形状的样品的材料特性。Ultimaker 3D打印机（荷兰Ultimaking有限公司）用于生成具有不同各向异性孔隙和分布的样品。具有各向异性孔隙的样品使用丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）进行打印，这是3D打印中使用最广泛的原材料，并使用打印样品对各向异性孔隙和孔隙聚类尺寸的影响进行了实验研究。

Fig. 10 3D printing procedure.

图10 3D打印过程

Fig. 11 Designed specimens with different anisotropic voids.

图11 设计了具有不同各向异性空隙的样品。

Fig. 12 Comparison of thermal conductivity for the x and z directions measured from experimental and numerical methods (left: for x-direction, right: for z-direction).

图12 通过实验和数值方法测量的x和z方向的导热系数对比（左：x方向，右：z方向）。

图12显示了实验方法和数值方法之间的导热系数对比；可以确认导热系数的实验结果和数值结果都合理一致。从结果中证实，各向异性孔径的方向和大小对导热性有很强的影响，导热性能可以用Hot Disk设备有效测量。

 

参考文献

  • Sang-Yeop Chung, Mohamed Abd Elrahmann, and Dietmar Stephan (2017) Effect of different gradings of lightweight aggregates on the properties of concrete, Applied Sciences, 7, pp. 585:1-15.
  • Sang-Yeop Chung, Mohamed Abd Elrahmann, Christian Lehmann, and Dietmar Stephan (2017) Pore characteristics and their effects on the material properties of foamed concrete evaluated using micro-CT images and numerical approaches, Applied Sciences, 7, pp. 550:1-19.
  • Sang-Yeop Chung, Mohamed Abd Elrahmann, and Dietmar Stephan (2016) Investigation of the effects of anisotropic pores on material properties of insulating concrete using computed tomography and probabilistic methods, Energy and Buildings, 125, pp. 122-129.
  • Sang-Yeop Chung, Mohamed Abd Elrahmann, Dietmar Stephan, and Paul Kamm (2016) Investigation of characteristics and responses of insulating cement paste specimens with Aer solids using X-ray micro-computed tomography, Construction and Building Materials, 118, pp. 204-215.
  • Sang-Yeop Chung, Dietmar Stephan, Mohamed Abd Elrahmann, and Tong-Seok Han (2016) Effects of anisotropic voids on thermal properties of insulating media investigated using 3D printed samples, Construction and Building Materials, 111, pp. 529-542

作者:

Prof. Dr. Dietmar Stephan and Dr. Sang-Yeop Chung (Baustoffe und Bauchemie, Technische Universität Berlin)