氣凝膠在商用車冷藏貨廂保溫材料中的應用研究

中圖分類號：U465 DOl：10.20042/j.cnki.1009-4903.2025.02.025

Abstract：Thispapercreativelyproposedtheideaofaplyingtheaerogelmateriawiththelowestthermalconductivitytothepanel materialofrefrigeratedargoboxdesignedavarietyoferogelfelt+X/PUcompositematerialtructuresandcarredoutsample preparation.Bymeasuringthetheralconducityeatransfercoeficientandtheralresistanceoferogelfelt+XPS/PUoposite materialsampleswithliferentstructures，itwasclearhattheaerogelfelt+XPS/PUcompositematerialhaslowerthermalouctiity andheatransfercoeficient hanthepureXPS insulationboardandpurePUinsulationboardcommonlyusedinrefrigeratedcargo boxesatpresent，providinganewselectionbasisforthenewgenerationofenergysavingandconsumptionreducingthermalinsulation materials forrefrigeratedcargoboxes.

KeyWords：XPSinsulationboard; PUinsulationboard; Aerogelfelt; thermalconductivity; heat-transfercoeficient

0 引

隨著新能源汽車的迅猛發展，截至2024年，中國新能源商用汽車的滲透率已突破 20% 。作為新能源商用車的重要組成部分，從事冷鏈運輸的新能源商用車（即：冷藏車）的冷藏貨廂的保溫性能及能耗問題也越來越被關注。冷藏貨廂保溫層材料的導熱和傳熱系數是決定其保溫性能的關鍵指標。

目前市場上用于冷藏貨廂保溫材料的材質主要為XPS（擠塑聚苯乙烯保溫板）和PU（聚氨酯硬質泡沫保溫板），這2種保溫材料因為非常低的導熱系數，具有優異的保溫性能；但新能源商用車對整車能耗和續航里程提出了更高要求，因此，冷藏貨廂保溫性能的進一步提高和能耗的進一步降低面臨著新的挑戰。在此背景下，深入研究開發極低導熱系數和傳熱系數的新型保溫材料具有非常現實的意義，一方面，開發新型低導熱系數的保溫材料有助于降低新能源商用車的能耗，提升整車性能和產品競爭力；另一方面，通過技術創新能夠實現節能減排，符合國家“雙碳”政策，也能進一步推動新能源商用車的普及與發展。

1 試驗材料

1.1XPS（擠塑聚苯乙烯保溫板）

XPS是以聚苯乙烯樹脂或其共聚物為主要成分，添加少量添加劑，通過加熱擠塑成型的具有閉孔結構的硬質泡沫塑料[2]。25^°C 條件下，XPS保溫板剛生產下線時的導熱系數應 ?0.028 W/m?K ，但其導熱系數會隨著時間的延長而逐漸增加，熟化穩定時間約為2個月。

1.2PU（聚氨酯硬質泡沫保溫板）

PU是由多異氰酸酯和聚醚多元醇液體原料及添加劑，通過攪拌混合后倒入模具成型的閉孔型泡沫塑料產品[2]。 25^°C 條件下，PU保溫板剛生產下線時的導熱系數應 ?0.024W/m?κ 但其導熱系數會隨著時間的延長而逐漸增加，熟化穩定時間約為3個月。

1.3 氣凝膠及氣凝膠氈[3]

氣凝膠是一種熱導率和體積密度均非常低的新型納米多孔材料， 25^°C 時導熱系數僅為 0.012～0.024W/m?K， 被譽為“最輕的固體材料”、“性能最好的保溫材料”以及“改變世界的十大神奇材料”之一。氣凝膠氈是一種以玻璃纖維氈為骨架載體，以氣凝膠粒子為保溫絕熱填充材料的復合材料氈，其絕熱性能遠超常規材料，其內部為納米級的多孔結構，孔隙率高、孔徑小，能有效阻擋空氣的流通，導熱系數極低，可有效阻隔熱流的傳遞，極大提高了設備的熱效率； 25^°C 時，玻纖氣凝膠氈的導熱系數僅為 0.021W/m?K ，而且其導熱系數不隨時間延長而增加，其保溫隔熱效果比現有冷藏貨廂的保溫材料XPS保溫板和PU保溫板更加優異。

2 試驗方案及樣品制備

當前，輕型商用車F類冷藏貨廂所用XPS保溫面板材料厚度約為 80mm ，所用PU發泡保溫面板材料約為 70～80 mm^[4] ；其用料較厚的原因主要是基于現有材料本身導熱系數的限制，為了達到必要的保溫效果，只能采用增加保溫板厚度的方法。

為了進一步增加冷藏貨廂的保溫效果，降低貨廂冷機能耗，同時減薄其保溫面板厚度，減小貨廂外寬和外高，降低整車風阻系數，提升整車電耗經濟性，我們需要開發一種導熱系數及傳熱系數低于XPS保溫板和PU保溫板的新型低導熱系數保溫材料；為此，計劃將具有極低導熱系數的不同厚度氣凝膠氈分別與不同厚度的XPS保溫板和PU保溫板進行組合，研究各種厚度規格組合板材的導熱系數變化情況，找出最低的導熱系數組合板材，為新型冷藏貨廂面板材料的開發提供選擇依據。現將膠粘組合板 [XPS+ 氣凝膠氈 +XPS] 1結構和發泡組合板PU[氣凝膠氈]結構的試驗方案介紹如下。

2.1試驗方案

（1）[XPS+ 氣凝膠氈 +XPS] 組合板結構。

通過將極低導熱系數的氣凝膠氈加入現有 x_PS 保溫層（圖1）中，以實現保溫面板整體導熱系數的降低和整體板厚的減薄。優化后的保溫層結構為 [XPS+ 氣凝膠氈 +XPSl （如圖2），其中XPS 的厚度規格包含 20mm 和 25mm2 種，氣凝膠氈的厚度規格包含 6mm / 8mm 和 10mm3 種，總計6種規格的組合保溫板。樣品制備完成后，測試保溫層的導熱系數、傳熱系數和熱阻進行分析優選。

（2）PU[氣凝膠氈]發泡組合板結構。

通過在原有PU發泡保溫板（圖3）中加入極低導熱系數的氣凝膠氈，以實現保溫面板整體導熱系數的降低，同時實現整體板厚的減薄。優化后的保溫層結構為PU[氣凝膠氈]（如圖4），其總厚度規格包含 40mm 和 50mm2 種，氣凝膠氈的厚度規格包含 6mm / 8mm 和 10mm3 種，總計6種規格的組合保溫板，樣品制備完成后測試保溫層的導熱系數、傳熱系數和熱阻進行分析優選。

2.2樣品制備

（1）[XPS+ 氣凝膠 +XPSl 組合保溫面板。

采用市場成熟、厚度為 20mm 和 25mm 的 x_PS 保溫板，分別與 6mm / 8mm 和 10mm 的氣凝膠氈通過膠粘組合，然后進行負壓壓合，再進行熱固化，最后切割成300mm×300mm 的測試樣品（圖5、圖6）。試驗樣品方案見表1。

（2）PU[氣凝膠氈]發泡組合保溫面板。首先分別將不同厚度 （6mm / 8mm 和 10mm） 的氣凝膠氈與內蒙皮VR熱塑板通過膠粘粘合，然后放置在模具內，蓋好外蒙皮預涂鋁板上蓋，通過注射孔注入預先調制好的PU發泡體；待完全固化后，取出并切割為 300×300mm 的測試樣件（圖7、圖8）。其中，通過調整上蓋高度來調整PU[氣凝膠氈]發泡組合保溫板的總厚度。本次試制樣品總厚度包括 40mm 和 50mm2 種規格。試驗樣品方案見表2。

3試驗結果與分析

3.1 導熱系數測試

本試驗測試儀器采用德國耐馳GHP456導熱系數測試儀，測試方法為保護熱板法，測試標準參考GB/T10294-2008/ISO8302，測試結果（如圖9、圖10）及分析如下。

（1）由圖9可見，熟化穩定狀態的 50mm 厚度的純XPS保溫板的實測導熱系數為 0.043W/m?K; 采用 1×PS+ 氣凝膠氈 +XPS] 組合結構制備的保溫板之后，整體結構的導熱系數降至 0.036～0.038W/m?K， 最大降幅達到 16.3% 。

在 [XPS+ 氣凝膠氈 +XPS] 組合板結構中，當 XPS 厚度為20mm 時，整體平均導熱系數為 0.0377W/m?k ；當 xPS 厚度為 25mm 時，整體平均導熱系數為 0.0363W/m?K 這說明 [XPS+ 氣凝膠氈 +XPS] 組合結構中的XPS厚度越厚，整體組合結構的導熱系數越低。

在 [XPS+ 氣凝膠氈 +XPS] 組合結構中，當 XPS 厚度分別為 20mm 和 25mm 時，隨著氣凝膠厚度的增加，組合板整體導熱系數變化均不大；因此，可以認為氣凝膠厚度對組合板整體導熱系數的變化影響不大。

（2）由圖10可見， 75mm 厚度的純PU保溫板熟化后穩定狀態下的導熱系數實測值為 0.038W/m?K; 采用PU[氣凝膠氈]發泡組合結構制備的保溫板之后，整體結構的導熱系數降至 0.029～0.034W/m?K， ，最大降幅達到 23.7% 。

總厚度為 40mm 的PU[氣凝膠氈]發泡組合板的平均導熱系數為 0.032W/m?K ，總厚度為 50mm 的PU[氣凝膠氈]發泡組合板平均導熱系數為 0.0306W/m?K 這說明PU[氣凝膠氈]發泡組合板的總厚度越厚，導熱系數越低。

在總厚度為 40mm 時，隨著氣凝膠厚度的增加，導熱系數呈下降趨勢。氣凝膠氈厚度為 10mm 時的導熱系數最低，下降至 0.029W/m?K; 在總厚度為 50mm 時，隨著氣凝膠厚度的增加，導熱系數呈先升高后降低的波動趨勢，波動范圍為 因此，可以認為氣凝膠厚度對整體導熱系數的變化有一定影響，但影響程度不大。

3.2傳熱系數與熱阻測試

傳熱系數與熱阻，根據導熱系數測定值和材料厚度近似換算，換算公式如下：

式中，d為材料厚度， m;λ 為導熱系數， W/（m?K） ；K為傳熱系數， W/（m²?K） ；R為熱阻， （m²?K）/W （204號

輸入導熱系數 λ 實測值，近似換算結果如圖11、圖12。

（1）由圖11可見，對比總厚度均為 50mm 的純XPS保溫 板和 xPS 組合 120+10+20] 組合保溫板，傳熱系數相差0.12 W/（m²?K） ，說明 [XPS+ 氣凝膠氈 +XPS] 組合板的多層多界面 多介質的特點能有效增加界面熱阻，降低傳熱系數，降低傳熱速度和減少熱量流失。

同時可以發現， XPS 厚度為 20mm 時，最低傳熱系數為 0.74W/（m²?K） ; XPS 厚度為 25mm 時，最低傳熱系數為0.6W/（m²?K） 。這說明在 1×105+ 氣凝膠氈 +XPSl 組合結構中，XPS 厚度越厚，傳熱系數越低。

在 XPS 厚度為 20mm 的 1×PS+ 氣凝膠氈 +XPS] 組合結構中，隨著氣凝膠厚度增加，組合板整體傳熱系數趨于直線下降；在 xPS 厚度為 25mm 的 1×PS+ 氣凝膠氈 +XPSl 組合結構中，隨著氣凝膠厚度增加，組合板整體傳熱系數也基本趨于直線下降。因此，可以認為氣凝膠厚度對于新型組合板的傳熱系數具有非常重要的影響，具體表現為氣凝膠厚度越厚，組合板整體傳熱系數越低。

在 [XPS+ 氣凝膠氈 +XPS] 組合結構中，熱阻值與傳熱系數變化規律相反， XPS 和氣凝膠氈的各自厚度以及組合后的整板厚度越厚，其熱阻值越高。

（2）由圖12可見，對比總厚度為 75mm 的純PU發泡保溫板和總厚度為 50mm 的PU組合50[10]保溫板，二者傳熱系數基本相同，但材料厚度相差 25mm ，這說明PU[氣凝膠氈]發泡組合結構在實現和純PU發泡保溫板相同的傳熱系數的同時，可以使材料厚度減薄 33% ；間接也說明，相同材料厚度情況下，PU[氣凝膠氈]發泡組合結構具備更低的傳熱系數。

在PU[氣凝膠氈]發泡組合結構中，當總厚度為 40mm /氣凝膠氈為 10mm 時，具有最低傳熱系數，數值為 0.58W/（m² ·K）；當總厚度為 50mm ，氣凝膠氈為 10mm 時，具有最低傳熱系數，數值為 0.5W/（m²?K） 。這說明PU[氣凝膠氈]發泡組合板的總厚度對于傳熱系數具有重要影響，總體表現為總厚度越厚，傳熱系數越低。

在PU[氣凝膠氈]發泡組合結構中，總厚度為 40mm 時，導熱系數隨著氣凝膠厚度的增加呈直線下降趨勢；總厚度為50mm 時，導熱系數隨著氣凝膠厚度的增加呈先升高后降低的波動下降趨勢；因此，可以認為氣凝膠厚度對于PU發泡組合板整體傳熱系數具有重要影響，具體表現為氣凝膠厚度越厚，組合板整體傳熱系數越低。

在PU[氣凝膠氈]發泡組合結構中，熱阻值與傳熱系數變化規律相反，PU發泡和氣凝膠氈的各自厚度以及組合后的整板厚度越厚，其熱阻值越高。

3.3組合板分析優選

（1）[XPS+ 氣凝膠氈 +XPSl 組合保溫板。

將同等厚度的純XPS保溫板與 1×PS+ 氣凝膠氈 +XPSl 組 合保溫板的導熱系數和傳熱系數進行對比（圖13、圖14），發 現各種組合的試驗樣品的導熱系數雖然都下降，但傳熱系數均 大于 78mm 厚度的純XPS保溫層（目前貨廂用保溫層厚度）。 為了增強保溫效果，必須使傳熱系數小于 78mm 的純XPS的 傳熱系數 $0 . 5 5 W / （ ＼boldsymbol { ＼mathrm { m } ^ { 2 } } ＼cdot ＼boldsymbol { ＼mathrm { K } } ） 。$

根據試驗結果規律預測：

方案1：當采用 XPS 組合 130+6+301 的方案時，傳熱系數為 0.53W/（m²?K） ，傳熱系數降低 3.6% ，此時總厚度66mm，相比原 78mm 純 XPS 保溫層，可減薄 12mm ，對應減小貨廂外寬 24mm ，減小貨廂外高 12mm 。

方案2：當采用XPS組合 [36+6+36] 的方案時，傳熱系數為 0.435W/（m²?K） ，傳熱系數降低 20.9% ，此時總厚度78mm，相比原純XPS保溫層，厚度不變。

（2）PU[氣凝膠氈]發泡組合保溫板。

將同等厚度的純PU保溫板與PU[氣凝膠氈]發泡組合保 溫板的導熱系數和傳熱系數進行對比（圖15、圖16），發現各 種組合的試驗樣品的導熱系數雖然都下降，但傳熱系數基本大 于 75mm 厚度的純PU保溫層（自前貨廂用保溫層厚度）。為 了增強保溫效果，必須使傳熱系數小于 75mm 的純PU的傳熱 系數 0.507W/（m²?K）

根據試驗結果規律預測：

方案1：當采用PU組合60[6]的方案時，傳熱系數為0.4831 N/（m²?K） ，傳熱系數降低 4.7% ，此時總厚度 66mm ，相比原 75mm 純PU保溫層，可減薄 9mm ，對應可減小貨廂外寬18mm ，減小貨廂外高 9mm 。

方案2：當采用PU組合65[6]的方案時，傳熱系數為0.446W/（m2?K） ，傳熱系數可降低 12% ，此時總厚度 71mm ，相比原 75mm 純PU保溫層，可減薄 4min ，對應減小貨廂外寬8mm ，減小貨廂外高 4min 。

4結論

（1）同等厚度的 [XPS+ 氣凝膠氈 +XPSl 組合板與純XPS保溫板相比，具有更低的導熱系數和傳熱系數；同等厚度的PU[氣凝膠氈]發泡組合板與純PU發泡保溫板相比，具有更低的導熱系數和傳熱系數；這得益于2種新型組合結構的多層多界面多介質的結構特點可以明顯增加熱阻值，降低傳熱系數，減少熱傳遞速率和熱量損失，極大地有助于冷藏貨廂的保溫性能提高和能耗降低。

（2）針對 78mm 厚度的純XPS保溫層貨廂， ① 采用XPS 組合 130+6+301 的保溫板替換，傳熱系數降低 3.6% ，貨廂板 厚減薄 12mm ，對應貨廂外寬減小 24mm ，貨廂外高降低12 mm; ② 采用 xPS 組合 [36+6+36] 的保溫板替換，傳熱系數 降低 20.9% 。以上方案大大增強了貨廂的保溫效果，同時降低 整車風阻系數，提升整車電耗經濟性。

（3）針對 75mm 厚度的純PU保溫層貨廂， ① 采用PU組 合60[6]的組合保溫板替換，傳熱系數降低 4.7% ，貨廂板厚 度減薄 9mm ，貨廂外寬減小 18mm ，貨廂外高降低 9min ② 采用PU組合65[6]的組合保溫板替換，傳熱系數可降低 12% ，貨廂板厚減薄 4mm ，貨廂外寬減小 8mm ，貨廂外高 降低 4mm 。以上替換方案大大增強了貨廂的保溫效果，同時 降低整車風阻系數，提升整車電耗經濟性。

參考文獻

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