納米孔絕熱材料的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景

錢(qián) 晨

（蘇州科技大學(xué)，江蘇 蘇州 215101）

0 引言

一般將具有保溫作用或者隔熱功能的材料統(tǒng)稱(chēng)為絕熱材料。傳統(tǒng)的絕熱材料根據(jù)材質(zhì)的不同可以分為有機(jī)絕熱材料和無(wú)機(jī)絕熱材料兩種。有機(jī)絕熱材料主要包括聚氨酯發(fā)泡劑等；無(wú)機(jī)絕熱材料主要包括纖維狀材料（如礦棉）、粒狀材料（如膨脹蛭石，膨脹珍珠巖）等。無(wú)機(jī)絕熱材料相對(duì)有機(jī)絕熱材料來(lái)說(shuō)更安全更環(huán)保，但傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)絕熱材料的保溫效果卻不盡人意，而且還有易吸水的弊端。由此，一種新穎且高效的隔熱材料—納米孔絕熱材料出現(xiàn)在大眾視線(xiàn)中。

1 納米孔絕熱材料的概述

1.1 納米孔絕熱材料的概念及特征

納米孔絕熱材料是將材料內(nèi)部孔徑直接制備成低于氣體分子熱運(yùn)動(dòng)平均自由程且具有立體三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的納米級(jí)孔徑的絕熱材料。

納米孔絕熱材料主要有四個(gè)特征[1-2]：體積密度小，通常小于300 kg/m3；孔隙率高；孔隙小，所有孔隙皆小于100 nm，符合納米材料的規(guī)定，此外，還有80%以上的孔徑小于50 nm；比表面積高，通常在50～1 000 m2/g 范圍內(nèi)。

1.2 納米孔絕熱材料的絕熱原理和絕熱性能

在絕熱材料中，主要是通過(guò)固體和氣體的熱傳導(dǎo)，還有熱對(duì)流和熱輻射來(lái)完成熱量傳遞。一般會(huì)從調(diào)整材料性能和微觀結(jié)構(gòu)的角度，來(lái)局限以上三種熱量傳遞方式，從而使絕熱性能發(fā)揮到極致。

1）在固體和氣體的熱傳導(dǎo)方面。納米孔獨(dú)具的立體三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致材料中的熱流只能?chē)@氣孔內(nèi)壁傳遞，有效地降低了固體和氣體的熱傳導(dǎo)能力。此外，納米孔絕熱材料的體積密度很小，這也降低了固體熱傳導(dǎo)。

氣體在存在溫差時(shí)，是由高溫側(cè)和低溫側(cè)的分子相互碰撞來(lái)完成熱量傳遞的。但是納米孔絕熱材料中的孔隙皆小于100 nm，其中還有大部分的孔徑小于氣體分子的平均自由程，這導(dǎo)致氣體分子失去相互碰撞的能力，只能與氣孔壁發(fā)生彈性碰撞而不能在氣體分子間進(jìn)行熱傳遞，很大程度上限制了氣體的熱傳導(dǎo)作用[3]。

2）在熱對(duì)流方面。鑒于納米孔絕熱材料的氣孔均為納米尺寸，且大部分的孔徑小于50 nm。因此可以把其當(dāng)作理想封閉氣孔，而正因如此，使得材料內(nèi)部的空氣分子基本無(wú)法進(jìn)行宏觀運(yùn)動(dòng)，從而極大程度上局限了對(duì)流傳熱。

3）在熱輻射的方面。因?yàn)闊o(wú)窮多遮熱板效應(yīng)，熱輻射的傳播能力大大被降低。但出于其對(duì)高溫紅外輻射具有良好透明性的特征，最好再在材料中添加遮光劑，從而使高溫時(shí)材料內(nèi)部的輻射傳熱能夠有大幅度降低的效果[4]。

也正因?yàn)椴牧蟽?nèi)部的三種熱量傳遞方式都被有效限制，所以納米孔絕熱材料相較于傳統(tǒng)無(wú)機(jī)絕熱材料，有著無(wú)法忽視的性能優(yōu)勢(shì)，其絕熱性能顯著優(yōu)于后者。

2 納米孔絕熱材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

納米孔絕熱材料起初主要在宇航工業(yè)和核潛艇等軍工領(lǐng)域中被應(yīng)用。后來(lái)其生產(chǎn)成本漸漸下降，且隨著當(dāng)下環(huán)保風(fēng)、節(jié)能風(fēng)的興起，納米孔絕熱材料在交通、工業(yè)、民用、醫(yī)學(xué)、建筑等其他領(lǐng)域開(kāi)發(fā)了許多潛在市場(chǎng)。

2.1 航空航天及軍事領(lǐng)域

納米孔絕熱材料的絕熱性能優(yōu)良。相較于傳統(tǒng)絕熱材料，更小質(zhì)量更小體積的SiO2氣凝膠就能達(dá)到和前者同樣的絕熱效果。這一良好特性使其被應(yīng)用在航空航天和軍工領(lǐng)域中。例如，我國(guó)的DF-xx 系列遠(yuǎn)程火箭的熱電池保溫系統(tǒng)、我國(guó)的火星探測(cè)漫游車(chē)“天問(wèn)一號(hào)”以及我國(guó)的軍工船舶領(lǐng)域等等。

2.2 交通領(lǐng)域

在軌道交通領(lǐng)域，我國(guó)的要求是盡量使用國(guó)產(chǎn)技術(shù)。而相較于其他傳統(tǒng)絕熱材料，采用防火性能優(yōu)秀的氣凝膠氈不僅可以降低保溫層厚度、保溫材料的質(zhì)量，而且施工方便。

在新能源汽車(chē)領(lǐng)域，通過(guò)在電池模組和模組之間用氣凝膠產(chǎn)品進(jìn)行隔熱保護(hù)，通過(guò)給電池箱外部裝保溫絕熱層，可以使電池在低溫下也有良好的性能，可以有效減少發(fā)生電池事故時(shí)帶來(lái)的危害；通過(guò)在電池艙與客艙之間鋪設(shè)氣凝膠絕熱層，可以阻擋電池意外燃燒時(shí)的火勢(shì)蔓延，可以給乘客爭(zhēng)取逃生時(shí)間。

2.3 工業(yè)領(lǐng)域

在冶金、石化、化工等工業(yè)領(lǐng)域中，普遍存在管道、窯爐及其他熱工設(shè)備熱損耗較大的問(wèn)題。而采用納米孔絕熱材料來(lái)替代傳統(tǒng)的保溫材料，便可以有效地達(dá)到熱能損失大幅度減少，熱能利用率大幅度提升的效果。例如，用納米孔絕熱卷氈包覆管道，可以對(duì)管道中的熱流起到很好的隔熱保溫作用；用納米絕熱板改造加熱爐內(nèi)襯，可以很好地減少爐體表面散熱損失。

2.4 民用領(lǐng)域

在我國(guó)陽(yáng)光充足但氣候寒冷的西北地區(qū)，太陽(yáng)能熱水器對(duì)當(dāng)?shù)厝嗣竦娜粘Ｉ钣葹橹匾?。而且正因?yàn)樘?yáng)能熱水器的發(fā)明，大大減少了當(dāng)?shù)厝藗儗?duì)燃料的依賴(lài)，這對(duì)生態(tài)的保護(hù)具有重要意義。而將納米孔絕熱材料應(yīng)用于太陽(yáng)能熱水器的儲(chǔ)水箱、管道、集熱器這三個(gè)部分，可以使太陽(yáng)能熱水器的集熱效力、保溫隔熱性能大大提高，減少熱損失，使其更加節(jié)能環(huán)保。

除了太陽(yáng)能熱水器以外，日常生活中仍有許多電器應(yīng)用了納米氣凝膠絕熱材料，例如冰箱、烤箱、碗筷消毒柜等等。

2.5 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

藻酸鹽氣凝膠的高孔隙率使其具有優(yōu)良的生物可降解性和生物相容性，因而在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中這類(lèi)藻酸鹽有著廣泛的應(yīng)用[5]。迄今為止，它被主要應(yīng)用在人造器官、人造組織和人造組件等。氣凝膠的生物特性與藥物抑制釋放而形成的體系十分契合，例如，當(dāng)藻酸鹽氣凝膠被用在腸胃外給藥體系時(shí)，不僅能穩(wěn)定地降解，還能在生物體內(nèi)繼續(xù)進(jìn)行一些無(wú)毒降解。

目前醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的最新技術(shù)是通過(guò)在氣凝膠表面覆蓋聚合物涂層，以此來(lái)管制不合理的藥物的釋放，以此改善液體滲透對(duì)氣凝膠結(jié)構(gòu)的破壞情況。

2.6 建筑領(lǐng)域

相較于傳統(tǒng)建筑保溫材料，納米孔絕熱材料中的氣凝膠具有低密度、高絕熱等優(yōu)點(diǎn)，這種材料在隔熱、隔音領(lǐng)域中有很好的應(yīng)用前景。它在建筑上的實(shí)際應(yīng)用主要有以下四種形式：氣凝膠顆粒、氣凝膠氈、氣凝膠板、氣凝膠玻璃。下面簡(jiǎn)略介紹一下氣凝膠在建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用：

1）建筑門(mén)窗可以用到氣凝膠玻璃。相較于用硅酸鹽材料制成的玻璃，氣凝膠玻璃不僅能使房屋取暖耗能更少，還能阻擋陽(yáng)光的直射，起到防輻射的效果，同時(shí)，它的透光性、視覺(jué)效果也不輸于傳統(tǒng)材質(zhì)的玻璃。

2）建筑管道可以用到氣凝膠氈，氣凝膠氈是一種具有超高隔熱性和疏水性的理想保溫材料，它的柔性與抗壓抗拉性也十分不錯(cuò)。它不僅施工方便快捷，保溫性能也明顯優(yōu)于其他材料。

3）建筑墻壁和屋頂可以用到氣凝膠板，氣凝膠板是一種低熱導(dǎo)率、低密度、高阻燃性的理想保溫材料，不僅如此，它還有吸聲降噪的功能，可以有效隔絕外界的噪聲。

4）涂料中可以加入氣凝膠粉體搭配做成具有保溫效果的保溫涂料，起到補(bǔ)充保溫的作用。這種保溫涂料不僅可以用作于外墻體的保溫，還可以用作于建筑內(nèi)墻、建筑頂部、建筑底部的保溫。

綜上，不難看出納米孔絕熱材料憑借著其特殊的結(jié)構(gòu)及優(yōu)秀的絕熱性能，已經(jīng)在眾多領(lǐng)域中獲得了一席之地，這在環(huán)保和節(jié)能方面，對(duì)于我國(guó)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3 納米孔絕熱材料的前景

目前，納米孔絕熱材料有著不容小覷的發(fā)展前景，國(guó)內(nèi)外都十分重視對(duì)于其各方面特性的研究和開(kāi)發(fā)，而且已經(jīng)取得了一些成績(jī)。當(dāng)前，我國(guó)對(duì)納米孔絕熱材料的制備工藝進(jìn)行了優(yōu)化，但是納米孔絕熱材料仍然存在以下問(wèn)題。

1）工藝及生產(chǎn)成本問(wèn)題。納米孔絕熱材料通常采用超臨界干燥或常壓干燥工藝制備，超臨界干燥工藝對(duì)生產(chǎn)設(shè)備條件要求太過(guò)苛刻，生產(chǎn)成本高，難量化；常壓干燥工藝雖然生產(chǎn)成本較低，但是產(chǎn)品的質(zhì)量卻無(wú)法被保證。目前，國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)之一是快速制備納米粉末基復(fù)合絕熱材料。研究較多的快速制備方法主要為干法成型工藝和濕法成型工藝。其中，干法成型工藝制備的納米粉基復(fù)合絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)低，制備工藝簡(jiǎn)單，但其缺乏有效粘接，易掉粉，無(wú)法制作形狀復(fù)雜的產(chǎn)品。而相較于干法成型，濕法成型雖然制備工藝稍稍復(fù)雜，但是能更好地使組分分散均勻，有效減少粉塵的產(chǎn)生。澆注成型是濕法成型的一種，宜采用此方法制備氣凝膠復(fù)合砂漿，不僅施工方便，而且保溫性能優(yōu)異，用于形狀不規(guī)則的場(chǎng)所十分方便，但其熱導(dǎo)率較高[6]。因此，研發(fā)出低成本、簡(jiǎn)工藝且性能優(yōu)異的納米孔絕熱材料仍是今后研究的主要目標(biāo)。

2）力學(xué)性能脆弱。由于納米孔絕熱材料超高的孔隙率，使得氣凝膠力學(xué)性能脆弱，從而阻礙了其應(yīng)用。雖然目前有現(xiàn)行的方法可以顯著改善其力學(xué)性能，但是這些方法也使新的問(wèn)題接踵而來(lái)。例如，氣凝膠與纖維復(fù)合雖然在一定程度上可以改善氣凝膠脆弱的力學(xué)性能，但采用纖維作為增強(qiáng)相，非但沒(méi)有在根本上解決其力學(xué)性能弱的缺點(diǎn)（因?yàn)樗鼪](méi)有使氣凝膠和增強(qiáng)體之間形成化學(xué)鍵），而且還會(huì)導(dǎo)致氣凝膠極易從纖維層中剝落以及出現(xiàn)掉粉問(wèn)題；氣凝膠與聚合物復(fù)合雖然可顯著提升無(wú)機(jī)氣凝膠的力學(xué)性能，但是聚合物的化學(xué)式量一般較大，會(huì)使材料密度增加；而且聚合物通常不耐高溫，這樣復(fù)合之后會(huì)失去良好的阻燃性能，無(wú)法再應(yīng)用于高溫領(lǐng)域。因而，未來(lái)納米孔絕熱材料的研究方向中一定有一項(xiàng)是去尋找可以在保證其他性能不受影響的情況下，還能改善力學(xué)性能的方法。

3）高溫?zé)岱€(wěn)定性。目前，SiO2氣凝膠的研究最為成熟，應(yīng)用最為廣泛。但是SiO2氣凝膠服役溫度較低，在650 ℃以上的高溫環(huán)境，它就難以勝任了，需要使用Al2O3氣凝膠或者ZrO2氣凝膠等金屬類(lèi)的氧化物氣凝膠來(lái)替代。而這類(lèi)金屬氧化物氣凝膠的服役溫度雖然有所提高﹐但是它們的制備工藝還不夠完善﹐迄今仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段。此外，納米粉末基復(fù)合隔熱材料最高服役可達(dá)800 ℃，但是仍存在更苛刻的無(wú)法使用的條件。因此，為了提升絕熱材料的高溫?zé)岱€(wěn)定性，研發(fā)有效高溫收縮抑制劑迫在眉睫。

4）復(fù)合材料問(wèn)題。納米孔絕熱材料雖然絕熱性能優(yōu)異，體積密度小，但它也有著很多不足的地方，所以開(kāi)始將其與其他材料復(fù)合，希望能彌補(bǔ)其自身缺陷，從而制備出所需的理想絕熱材料，比如，碳?xì)饽z，它的導(dǎo)電性能良好，熱導(dǎo)率低，且綠色環(huán)保無(wú)污染。在各行各業(yè)中，對(duì)絕熱材料有著不同的要求，因此，納米復(fù)合絕熱材料的創(chuàng)新和開(kāi)發(fā)一定是未來(lái)的研究發(fā)展方向之一。

5）壽命問(wèn)題。關(guān)于納米孔絕熱材料使用壽命這個(gè)領(lǐng)域，鮮有人涉足，因此它的時(shí)效性和可行性有著一部分的局限。未來(lái)可以在這個(gè)方向開(kāi)展研究使得局限消除。

4 結(jié)語(yǔ)

未來(lái)納米孔絕熱材料的研究可以在優(yōu)化生產(chǎn)工藝、降低生產(chǎn)成本、改善力學(xué)性能、提升高溫?zé)岱€(wěn)定性、復(fù)合材料的研發(fā)、使用壽命的延長(zhǎng)等方面開(kāi)展。相信未來(lái)納米孔絕熱材料會(huì)在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。