從物理學(xué)能量損耗角度探討應(yīng)對碳中和的基礎(chǔ)技術(shù)

魏玉劍 范澤云

上海質(zhì)量管理科學(xué)研究院

0 引言

《巴黎協(xié)定》簽署后已有一百多個國家承諾在21世紀(jì)中葉實現(xiàn)碳中和。各個國家也都組織學(xué)者研究碳中和的方法和路徑。目前學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為碳中和主要路徑包括三個方面：一是從能源供給端看要盡快實現(xiàn)可再生能源替代化石能源，二是從能源需求端看要不斷提高能源的利用率，三是開發(fā)研究固碳技術(shù)，將人類活動產(chǎn)生的碳排放物捕獲、收集并封存到安全的碳庫中。碳中和的路徑看起來很簡單易懂，但要實現(xiàn)碳中和最根本的還是要靠技術(shù)進(jìn)步，這已經(jīng)成為科技界的共識。從公開發(fā)表的文章看，低碳技術(shù)分類多數(shù)從應(yīng)用場景去描述，如可再生能源利用、低碳生產(chǎn)工藝、清潔電力替代等。實際上這些應(yīng)用技術(shù)的創(chuàng)新必須依靠先進(jìn)材料等基礎(chǔ)技術(shù)的突破。從物理學(xué)角度考慮，低碳基礎(chǔ)技術(shù)主要是能量轉(zhuǎn)換技術(shù)及減少能量損失的技術(shù)。能量轉(zhuǎn)換技術(shù)包括光熱、光電、熱電、化電、機(jī)電等相互轉(zhuǎn)換技術(shù)。減少能量損失的技術(shù)主要包括熱阻、電阻、磁阻及摩阻（四阻）極限技術(shù)，對應(yīng)的有導(dǎo)熱和絕熱、超導(dǎo)和絕緣、高導(dǎo)磁和絕磁、無摩擦和強(qiáng)摩擦。本文主要從四阻角度探討低碳基礎(chǔ)技術(shù)研究方向，從不同的視角描述碳中和基礎(chǔ)技術(shù)創(chuàng)新重點。

1 熱阻極限相關(guān)技術(shù)

1.1 絕熱材料

絕熱材料可以分為多孔材料、熱反射材料和真空材料三類。一般而言，通常以導(dǎo)熱系數(shù)0.23 W/mK作為絕熱材料與非絕熱材料的分界線。新型絕熱材料主要包括納米孔絕熱材料和真空絕熱材料。納米孔絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)一般在0.003~0.015 W/mK之間，是傳統(tǒng)材料的4~10倍，同時納米孔絕熱材料具有極好的抗壓強(qiáng)度和較好的高溫穩(wěn)定性，其最高使用溫度可達(dá)1 200℃。目前，常用的納米孔絕熱材料可分為氣凝膠和納米粉末基復(fù)合阻熱材料兩種，其中主要的氣凝膠材料有SiO2氣凝膠、Al2O3氣凝膠和ZrO2氣凝膠，且以SiO2氣凝膠應(yīng)用最為廣泛。納米粉末基復(fù)合阻熱材料也多數(shù)以納米SiO2作為基體材料再進(jìn)行加工與制備。真空絕熱材料大部分應(yīng)用形式為真空絕熱板，它由填充芯材與真空保護(hù)表層復(fù)合而成，它有效地避免空氣對流引起的熱傳遞，因此導(dǎo)熱系數(shù)可大幅度降低，小于0.005 W/mK，是目前世界上最先進(jìn)的高效保溫材料。目前比較前沿的是一批新型真空絕熱材料，如氣凝膠真空絕熱板。該種絕熱板屬于無機(jī)類保溫材料，導(dǎo)熱系數(shù)低于0.003 W/mK，其隔熱性能是傳統(tǒng)材料的1.2~20倍。

1.2 高導(dǎo)熱材料

一般而言，將導(dǎo)熱系數(shù)高于200 W/mK的材料統(tǒng)稱為高導(dǎo)熱材料。高導(dǎo)熱材料可以分為金屬基復(fù)合材料、炭基復(fù)合材料、樹脂基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料，其中較為常見的材料有石墨材料（石墨烯、定向熱解石墨等）、樹脂材料等。石墨烯材料依靠特殊的聲子模式進(jìn)行熱傳輸，具有非常好的導(dǎo)熱性能，純的無缺陷的單層石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5 300 W/mK，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的導(dǎo)熱材料如銅（398 W/mK）等。石墨烯在導(dǎo)熱方面較為新穎的應(yīng)用有石墨烯導(dǎo)熱塑料、石墨烯智能暖貼、電子產(chǎn)品用石墨烯導(dǎo)熱膜等，其中石墨烯導(dǎo)熱塑料廣泛應(yīng)用于LED燈具散熱。導(dǎo)熱界面材料是一種普遍用于IC封裝和電子散熱的材料，主要分為導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱硅膠片和相變材料。導(dǎo)熱硅脂俗稱散熱膏，以有機(jī)硅酮為主要原料，添加耐熱、導(dǎo)熱性能優(yōu)異的材料，制成的導(dǎo)熱型有機(jī)硅脂狀復(fù)合物，用于功率放大器、晶體管、電子管、CPU等電子元器件的導(dǎo)熱及散熱。導(dǎo)熱硅膠片是以硅膠為基材，添加金屬氧化物等各種輔材，通過特殊工藝合成的一種導(dǎo)熱介質(zhì)材料，是一種極佳的導(dǎo)熱填充材料，其導(dǎo)熱系數(shù)與導(dǎo)熱硅脂相近，一般適用于電子元件的散熱。相變材料是指隨溫度變化而改變物質(zhì)狀態(tài)并能提供潛熱的物質(zhì)，其中導(dǎo)熱相變材料是一種熱量增強(qiáng)聚合物，其導(dǎo)熱系數(shù)一般為1~10 W/mK，在實際工況下由于其接觸面積較大，故有較好的導(dǎo)熱性能。熱管技術(shù)具有導(dǎo)熱強(qiáng)、等溫性好、環(huán)境適應(yīng)性好等優(yōu)點。熱管的導(dǎo)熱系數(shù)一般在3 000~10 000 W/mK，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的導(dǎo)熱材料，是傳統(tǒng)導(dǎo)熱材料的15~50倍。熱管散熱器主要有三個方面的應(yīng)用，分別是采暖供熱、半導(dǎo)體制冷和電力電子元件散熱。

2 電阻極限相關(guān)技術(shù)

2.1 絕緣技術(shù)

絕緣技術(shù)主要應(yīng)用于高電壓絕緣，一般絕緣體又稱為電介質(zhì)，根據(jù)介質(zhì)狀態(tài)可分為氣體介質(zhì)、液體介質(zhì)和固體介質(zhì)，其絕緣材料可分為高導(dǎo)熱絕緣材料、耐熱絕緣材料、納米改性絕緣材料。高導(dǎo)熱絕緣材料研究重點為高導(dǎo)熱多膠粉云母帶和高導(dǎo)熱半導(dǎo)體填充膠。常用的耐熱絕緣材料有聚酰亞胺（PEEK）、聚四氟乙烯(PTFE)、改性聚甲醛(POM)等。納米改性絕緣材料，實質(zhì)上是在絕緣材料中均勻分散一些納米無機(jī)物（如TiO2、ZnO等），以提高電機(jī)的耐電暈和使用壽命。

2.2 超導(dǎo)技術(shù)

超導(dǎo)材料按其化學(xué)成分可分為元素材料、合金材料、化合物材料和超導(dǎo)陶瓷，根據(jù)其工作溫度又可分為低溫超導(dǎo)材料和高溫超導(dǎo)材料，其中較為新型的應(yīng)用主要有超導(dǎo)濾波器、超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)儲能、超導(dǎo)傳輸。超導(dǎo)濾波器主要指的是高溫超導(dǎo)濾波器，可以解決基站干擾、降低衛(wèi)星接收機(jī)噪聲、提高雷達(dá)探測距離與抗干擾能力。超導(dǎo)限流器利用超導(dǎo)體的超導(dǎo)態(tài)-正常態(tài)的轉(zhuǎn)變來實現(xiàn)限流功能，在發(fā)生短路故障時，能夠迅速將短路電流限制到可接受的水平，從而可以大大提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性，提高供電的可靠性和安全性。超導(dǎo)儲能是利用超導(dǎo)體的電阻為零特性制成的儲存電能的裝置，用于提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、改善供電品質(zhì)。由于能解決風(fēng)電、光伏并網(wǎng)問題，超導(dǎo)儲能被國家電網(wǎng)列為智能電網(wǎng)關(guān)鍵性技術(shù)。超導(dǎo)傳輸是指利用超導(dǎo)體制作超導(dǎo)電纜，從而實現(xiàn)低損耗輸電。

3 磁阻極限相關(guān)技術(shù)

3.1 超導(dǎo)磁體相關(guān)技術(shù)

超導(dǎo)磁體應(yīng)用很廣，主要應(yīng)用在科研、醫(yī)學(xué)和工業(yè)三大領(lǐng)域。在科研上超導(dǎo)磁體可用于高能加速器、探測器和核聚變實驗機(jī)組。在醫(yī)學(xué)上超導(dǎo)磁體可用于核磁共振成像（MRI），目前全世界醫(yī)院中的磁共振成像儀有80%以上是采用超導(dǎo)磁體，除此之外超導(dǎo)磁體還可用于紅血球的分離等醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域。在工業(yè)領(lǐng)域，超導(dǎo)磁體可用于超導(dǎo)電機(jī)，還可應(yīng)用于磁分離裝置，用于貧礦富集、水體凈化、高嶺土提純等。

3.2 高磁電阻材料

高磁電阻材料（GRM）是指在外磁場的作用下電阻發(fā)生顯著變化(通常是指電阻降低)的一類功能性材料，當(dāng)該類材料的電阻隨外磁場的變化十分巨大時，也被稱為超磁電阻材料。常見的GRM材料主要有多層膜、自旋閥、顆粒膜、磁性隧道結(jié)和氧化物超巨磁電阻薄膜等五大類。GRM材料主要應(yīng)用于計算機(jī)硬盤和磁隨機(jī)存儲器，這兩個產(chǎn)業(yè)均已成熟。除此之外，GRM材料還被應(yīng)用于磁阻記錄讀出磁頭、磁電阻傳感器、微弱磁場探測器。

4 摩阻極限相關(guān)技術(shù)

摩擦現(xiàn)象一直是人類面臨的最具挑戰(zhàn)性的問題之一。全世界約1/3至1/2的一次性能源由摩擦過程消耗。

4.1 超潤滑技術(shù)

超潤滑作為摩擦學(xué)的一個新領(lǐng)域，通常指兩個物體表面之間的滑動摩擦系數(shù)在0.001量級或者更小的潤滑狀態(tài)。目前，超滑的產(chǎn)生機(jī)制有四種：一是處于宏觀量子態(tài)的低溫超流問題；二是特定對偶面和特定滑移方面的超滑問題；三是高速剪切導(dǎo)致潤滑劑分子有序排列而出現(xiàn)的超動滑動問題；四是高分子膜造成的界面斥力場而出現(xiàn)的超滑問題。到目前為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)兩類潤滑材料具有超滑的特性：第一類是沉積在表面上的固體潤滑涂層，比如二硫化鉬(MoS2)、石墨、類金剛石薄膜(DLC)和碳氮膜(CNx)等，這里稱之為固體超滑；另一類是受限在兩個表面之間的液體潤滑劑，比如陶瓷水潤滑、水合離子潤滑、聚合物分子刷、甘油混合溶液和生物體黏液等，稱之為液體超滑。目前最有可能產(chǎn)業(yè)化的是封裝在石墨烯中的納米金剛石充當(dāng)納米級滾珠軸承的固體超滑技術(shù)以及石墨烯基高分子納米合金抗磨自修復(fù)材料，可將接觸表面之間的摩擦減小到幾乎為零。

4.2 磁懸浮技術(shù)

磁懸浮技術(shù)主要應(yīng)用于磁懸浮列車、磁懸浮軸承、磁懸浮離心式鼓風(fēng)機(jī)、磁懸浮壓縮機(jī)以及磁懸浮潛水電泵等。其中，磁懸浮軸承作為磁懸浮技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，在磁懸浮的各項具體產(chǎn)品上都有應(yīng)用。例如，磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)采用磁懸浮軸承，無接觸損失和機(jī)械損失，實現(xiàn)了高轉(zhuǎn)速無級變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，風(fēng)機(jī)運行效率可高達(dá)84.5%，比傳統(tǒng)的羅茨風(fēng)機(jī)可以節(jié)省25%以上的電能。磁懸浮壓縮機(jī)主要應(yīng)用于中央空調(diào)，相比傳統(tǒng)壓縮機(jī)而言，其節(jié)能量高達(dá)30%以上。

4.3 摩擦材料

摩擦材料是一種通過粉末冶金方法制成的、具有高摩擦系數(shù)和高耐磨性能的金屬和非金屬復(fù)合材料，其主要用于制造各種制動和傳動機(jī)件的摩擦組元。摩擦組元一般用以提高材料的摩擦系數(shù)即增加滑動阻力。主要有氧化物(SiO2、Al2O3、Cr2O3)、碳化物(SiC、B4C)和礦物(石棉、莫來石等)。

4.4 耐磨材料

耐磨材料是一大類具有特殊電、磁、光、聲、熱、力、化學(xué)以及生物功能的新型材料。按照使用性能可以將其分為微電子材料、光電子材料、傳感器材料、信息材料、生物醫(yī)用材料等。按照材料類別可以將其分為金屬耐磨材料（磨球、襯板、軋輥、磨輥）、非金屬耐磨材料（耐磨橡膠、鑄石管、碳化硅陶瓷、抗磨損潤滑劑、極壓抗磨劑等）和復(fù)合耐磨材料（TiC、WC、Al2O3等陶瓷顆粒強(qiáng)化表面復(fù)合材料）。

5 結(jié)論

本文通過對熱、電、磁、力的四阻極值應(yīng)用技術(shù)的探討，基于最小作用量的物理學(xué)原理實現(xiàn)能源高效利用和節(jié)能降碳，對于實現(xiàn)碳中和具有重要意義。在這些技術(shù)中，納米材料、超導(dǎo)材料、石墨烯材料、儲能材料、磁懸浮技術(shù)等可以在多場景中應(yīng)用，市場潛力巨大，是促進(jìn)科技進(jìn)步、實現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)。