納米孔絕熱材料的應用現狀及前景

錢 晨

（蘇州科技大學，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稱為絕熱材料。傳統的絕熱材料根據材質的不同可以分為有機絕熱材料和無機絕熱材料兩種。有機絕熱材料主要包括聚氨酯發泡劑等；無機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。無機絕熱材料相對有機絕熱材料來說更安全更環保，但傳統的無機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在大眾視線中。

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部孔徑直接制備成低于氣體分子熱運動平均自由程且具有立體三維網絡結構的納米級孔徑的絕熱材料。

納米孔絕熱材料主要有四個特征[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。

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，主要是通過固體和氣體的熱傳導，還有熱對流和熱輻射來完成熱量傳遞。一般會從調整材料性能和微觀結構的角度，來局限以上三種熱量傳遞方式，從而使絕熱性能發揮到極致。

1）在固體和氣體的熱傳導方面。納米孔獨具的立體三維網絡結構導致材料中的熱流只能圍繞氣孔內壁傳遞，有效地降低了固體和氣體的熱傳導能力。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。

氣體在存在溫差時，是由高溫側和低溫側的分子相互碰撞來完成熱量傳遞的。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，這導致氣體分子失去相互碰撞的能力，只能與氣孔壁發生彈性碰撞而不能在氣體分子間進行熱傳遞，很大程度上限制了氣體的熱傳導作用[3]。

2）在熱對流方面。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。因此可以把其當作理想封閉氣孔，而正因如此，使得材料內部的空氣分子基本無法進行宏觀運動，從而極大程度上局限了對流傳熱。

3）在熱輻射的方面。因為無窮多遮熱板效應，熱輻射的傳播能力大大被降低。但出于其對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，從而使高溫時材料內部的輻射傳熱能夠有大幅度降低的效果[4]。

也正因為材料內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無機絕熱材料，有著無法忽視的性能優勢，其絕熱性能顯著優于后者。

2 納米孔絕熱材料的應用現狀

納米孔絕熱材料起初主要在宇航工業和核潛艇等軍工領域中被應用。后來其生產成本漸漸下降，且隨著當下環保風、節能風的興起，納米孔絕熱材料在交通、工業、民用、醫學、建筑等其他領域開發了許多潛在市場。

2.1 航空航天及軍事領域

納米孔絕熱材料的絕熱性能優良。相較于傳統絕熱材料，更小質量更小體積的SiO2氣凝膠就能達到和前者同樣的絕熱效果。這一良好特性使其被應用在航空航天和軍工領域中。例如，我國的DF-xx 系列遠程火箭的熱電池保溫系統、我國的火星探測漫游車“天問一號”以及我國的軍工船舶領域等等。

2.2 交通領域

在軌道交通領域，我國的要求是盡量使用國產技術。而相較于其他傳統絕熱材料，采用防火性能優秀的氣凝膠氈不僅可以降低保溫層厚度、保溫材料的質量，而且施工方便。

在新能源汽車領域，通過在電池模組和模組之間用氣凝膠產品進行隔熱保護，通過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，可以有效減少發生電池事故時帶來的危害；通過在電池艙與客艙之間鋪設氣凝膠絕熱層，可以阻擋電池意外燃燒時的火勢蔓延，可以給乘客爭取逃生時間。

2.3 工業領域

在冶金、石化、化工等工業領域中，普遍存在管道、窯爐及其他熱工設備熱損耗較大的問題。而采用納米孔絕熱材料來替代傳統的保溫材料，便可以有效地達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襯，可以很好地減少爐體表面散熱損失。

2.4 民用領域

在我國陽光充足但氣候寒冷的西北地區，太陽能熱水器對當地人民的日常生活尤為重要。而且正因為太陽能熱水器的發明，大大減少了當地人們對燃料的依賴，這對生態的保護具有重要意義。而將納米孔絕熱材料應用于太陽能熱水器的儲水箱、管道、集熱器這三個部分，可以使太陽能熱水器的集熱效力、保溫隔熱性能大大提高，減少熱損失，使其更加節能環保。

除了太陽能熱水器以外，日常生活中仍有許多電器應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 醫學領域

藻酸鹽氣凝膠的高孔隙率使其具有優良的生物可降解性和生物相容性，因而在醫學領域中這類藻酸鹽有著廣泛的應用[5]。迄今為止，它被主要應用在人造器官、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，當藻酸鹽氣凝膠被用在腸胃外給藥體系時，不僅能穩定地降解，還能在生物體內繼續進行一些無毒降解。

目前醫學領域的最新技術是通過在氣凝膠表面覆蓋聚合物涂層，以此來管制不合理的藥物的釋放，以此改善液體滲透對氣凝膠結構的破壞情況。

2.6 建筑領域

相較于傳統建筑保溫材料，納米孔絕熱材料中的氣凝膠具有低密度、高絕熱等優點，這種材料在隔熱、隔音領域中有很好的應用前景。它在建筑上的實際應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。下面簡略介紹一下氣凝膠在建筑節能領域的應用：

1）建筑門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，還能阻擋陽光的直射，起到防輻射的效果，同時，它的透光性、視覺效果也不輸于傳統材質的玻璃。

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。它不僅施工方便快捷，保溫性能也明顯優于其他材料。

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構及優秀的絕熱性能，已經在眾多領域中獲得了一席之地，這在環保和節能方面，對于我國有著重要的現實意義。

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展前景，國內外都十分重視對于其各方面特性的研究和開發，而且已經取得了一些成績。當前，我國對納米孔絕熱材料的制備工藝進行了優化，但是納米孔絕熱材料仍然存在以下問題。

1）工藝及生產成本問題。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，超臨界干燥工藝對生產設備條件要求太過苛刻，生產成本高，難量化；常壓干燥工藝雖然生產成本較低，但是產品的質量卻無法被保證。目前，國內外的研究熱點之一是快速制備納米粉末基復合絕熱材料。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合絕熱材料導熱系數低，制備工藝簡單，但其缺乏有效粘接，易掉粉，無法制作形狀復雜的產品。而相較于干法成型，濕法成型雖然制備工藝稍稍復雜，但是能更好地使組分分散均勻，有效減少粉塵的產生。澆注成型是濕法成型的一種，宜采用此方法制備氣凝膠復合砂漿，不僅施工方便，而且保溫性能優異，用于形狀不規則的場所十分方便，但其熱導率較高[6]。因此，研發出低成本、簡工藝且性能優異的納米孔絕熱材料仍是今后研究的主要目標。

2）力學性能脆弱。由于納米孔絕熱材料超高的孔隙率，使得氣凝膠力學性能脆弱，從而阻礙了其應用。雖然目前有現行的方法可以顯著改善其力學性能，但是這些方法也使新的問題接踵而來。例如，氣凝膠與纖維復合雖然在一定程度上可以改善氣凝膠脆弱的力學性能，但采用纖維作為增強相，非但沒有在根本上解決其力學性能弱的缺點（因為它沒有使氣凝膠和增強體之間形成化學鍵），而且還會導致氣凝膠極易從纖維層中剝落以及出現掉粉問題；氣凝膠與聚合物復合雖然可顯著提升無機氣凝膠的力學性能，但是聚合物的化學式量一般較大，會使材料密度增加；而且聚合物通常不耐高溫，這樣復合之后會失去良好的阻燃性能，無法再應用于高溫領域。因而，未來納米孔絕熱材料的研究方向中一定有一項是去尋找可以在保證其他性能不受影響的情況下，還能改善力學性能的方法。

3）高溫熱穩定性。目前，SiO2氣凝膠的研究最為成熟，應用最為廣泛。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氣凝膠等金屬類的氧化物氣凝膠來替代。而這類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﹐迄今仍停留在實驗室階段。此外，納米粉末基復合隔熱材料最高服役可達800 ℃，但是仍存在更苛刻的無法使用的條件。因此，為了提升絕熱材料的高溫熱穩定性，研發有效高溫收縮抑制劑迫在眉睫。

4）復合材料問題。納米孔絕熱材料雖然絕熱性能優異，體積密度小，但它也有著很多不足的地方，所以開始將其與其他材料復合，希望能彌補其自身缺陷，從而制備出所需的理想絕熱材料，比如，碳氣凝膠，它的導電性能良好，熱導率低，且綠色環保無污染。在各行各業中，對絕熱材料有著不同的要求，因此，納米復合絕熱材料的創新和開發一定是未來的研究發展方向之一。

5）壽命問題。關于納米孔絕熱材料使用壽命這個領域，鮮有人涉足，因此它的時效性和可行性有著一部分的局限。未來可以在這個方向開展研究使得局限消除。

4 結語

未來納米孔絕熱材料的研究可以在優化生產工藝、降低生產成本、改善力學性能、提升高溫熱穩定性、復合材料的研發、使用壽命的延長等方面開展。相信未來納米孔絕熱材料會在更多的領域得到應用。