气凝胶与热超绝缘之间的内在联系外文翻译资料

 2021-10-24 15:18:57

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摘要：本文综述了气凝胶与热超绝缘之间的内在联系。长期以来，这一应用领域一直被认为是这些纳米材料最有前景的潜在市场。今天，有几个指标表明，这一古老的愿景很可能在不久的将来成为现实。基于该领域的最新发展，我们相信气凝胶仍然为非疏散的超绝缘系统提供最大的潜力，因此必须被视为可持续发展的一个惊人的机会。然而，这种产品的实际实现是费时的，大量的研发活动仍然是为大众市场生产改进气凝胶绝缘产品的必要条件。

关键词：气凝胶.复合材料.超绝热.绝热市场.节能建筑.商业化.溶胶-凝胶.热导率.结构依赖性.环境压力干燥.超临界CO2 .疏水化

  1. 全球对超绝热解决方案的需求

1.1为什么要热材料

自从七十年代第一次全球石油危机以来，化石燃料的短缺，这是我们化学工业和能源载体的头号资源，突显了现代社会对廉价能源和资源的依赖性[1]。从短期或长期来看，这一事实正迫使人类重新思考全球能源战略，并因此采取适当措施。除了全球有限的碳基燃料供应外，碳足迹的影响，即二氧化碳（CO2）浓度上升对地球大气的影响[2]及其对全球气候的影响[3，4]已经变得无可争议地清晰：广泛的媒体报道已经使人们在世纪之交的时候逐渐增强了公众的意识。常年。展示融化的极冠的照片传遍了全世界，让观众敬畏不已：人类在科技时代通过恒星的进步取得胜利的影响再也不能否认了。突然间，我们的宝贵技术和自由市场经济正威胁着我们生存的连续性。

实现这一目标后，国际政治努力要求立即解决全球变暖和气候变化问题。在这方面经常提到的一个目标是使大气二氧化碳浓度稳定在百万分之五百以下[5]。采取行动的必要性和对可再生能源（没有二氧化碳净排放的能源）的快速增长的需求导致对这类技术的潜力和实施速度的高估，这一声明充分描述了当前的情况。尽管发展替代能源计划对我们的进步和未来的重要投资是绝对必要的，但发展替代能源计划是一项艰巨的任务，要完全取代现有技术需要几十年甚至几百年的时间。我们对石油、天然气和煤炭的依赖程度（2003年占世界能源需求的85%）远远超过大多数人所能接受的程度。因此，完全不可能假定可再生能源能够像某些团体声称的那样，在未来10-20年内取代碳基能源载体的一部分。立即实施和延迟采取行动的主要原因是技术上的差异和经济障碍[6]。这一实现自动导致全球减少二氧化碳和温室气体排放的合理策略数量有限。一个理想的行动方案需要短期、中期和长期的战略来弥合差距，同时为蓝色星球开发长期的可再生能源供应系统。

图1说明了一个现实的情景，其中包括在2100年前将大气二氧化碳浓度稳定在500百万分之一的宏伟目标中，需要采取的必要步骤。这些措施分为主要的二氧化碳排放者，即流动性（车辆、船舶、飞机，包括货物运输）、发电厂/重工业和建筑。令大多数人惊讶的是，建筑物占全球能源消耗的40%左右，比整个移动部门所占的份额要大。伴随着它，二氧化碳的足迹也达到了同样的程度。建筑业的另一个重要特征是：虽然目前用于交通、发电厂和重工业的技术在很大程度上得到了优化，但建筑节能潜力却并非如此[8]。暖通空调（暖通空调）在建筑总能源需求中占有最大的份额，但在世界许多地区（几乎所有地方，除了中欧和北欧），实际的隔热标准仍有待提高。因此，全球范围内大量绝缘不良的建筑积累了巨大的短期潜力，可以立即、不时地减少二氧化碳排放。

1.2建筑作为巨大的市场机会

制定出推动可再生能源利用和提高交通效率的方法是巨大的挑战，需要几十年的商业实现。这部分是由于目前的运输系统（汽车、航空、火车）已经高度优化，为了实现另一个显著的效率提升，需要在商业层面开发和升级新技术。显然，这是一个相当耗时的过程。然而，为了与气候变化协议保持一致，现在需要立即采取措施开始减少二氧化碳输出。实现这一目标的最有希望的方法之一当然是降低建筑物暖通空调系统的能耗。这可以通过安装适当的隔热层来尽可能少地完成。如果要认真对待气候变化，社会第一必须要求改进绝缘解决方案。这涉及到新的和已经存在的建筑，即使在旧结构的情况下，节省的潜力要大得多。降低建筑物热损失最经济的方法是安装较厚的传统保温材料层。当然，与这种繁琐的立面结构相关联的一个美学缺点是：隔热物体占用了更多的空间，可居住生活空间的体积分数减少。在大多数情况下，成本和隔热性能是新建筑和建筑物改造的主要参数。

图2显示了成本、性能和绝缘行业市场份额之间相关性的简化视图。“节省空间”属性与成本和隔热性能密切相关，是选择建筑隔热材料的标准。传统或标准绝缘产品部门[9]是一般建筑业主在购买绝缘材料时最具代表性的需求，因为它提供了单位成本的最佳性能。超绝缘提供了更好的性能，但成本却高得惊人。低成本产品以极低的价格提供低性能（和耐用性）。

由于节省空间、延长使用寿命（降低维修/支持成本）或提高产品性能（耐化学品、耐高温或低温等），因此只能在能够提供成本优势的区域使用超绝缘。在建筑领域，节省空间是使用重叠的首要原因。典型的例子包括阳台侧面和无障碍屋顶阳台建筑、建筑后立面的内部隔热解决方案以及历史建筑改造的薄立面隔热。建筑行业以外的一些其他利基绝缘市场，如服装、航空航天、石化管道和工业应用中的泵送流体介质的隔热以及低温工艺，值得一提，稍后将进行更详细的讨论。

  1. 高性能绝热或超绝热：概念和示例

2.1定义和材料分类

到目前为止，我们已经确定了市场和应用超绝缘产品的定义。但也许关键问题还没有解决到目前为止：一个材料或组件是如何被归类为上级的？定义两个同义词“超绝缘”或“高性能绝缘”的最简单方法之一是通过标准（环境）条件下测量的热导率k（lambda）。热导率是一种固有的材料特性，它由热流体通过面积为A和厚度为D的材料板而定义，有效温差dt作用于两个表面。k的单位是（wm-1k-1）。金属是非常好的热导体，k值在几十到数百wm-1k-1范围内。玻璃、沙子和矿物的热导率一般在一位数的wm-1k-1范围内。聚合物、塑料和有机材料的范围为wm-1k-1体系的十分之一。

典型的热绝缘体（概述见表1）和相关产品的K值远低于0.1 wm-1 k-1。表1概述了基于各自k值的普通绝缘材料的性能：以红色突出显示的传统绝缘材料具有0.030–0.040 wm-1 k-1的典型值。对“重叠”一词常用几种定义。一个有误导性且毫无意义的是基于一个定义良好的绝缘层（单个工件或元件）的总传热系数或U值。它只是指一个总热阻高的厚层。这当然是一个很差的定义，因为与材料绝缘性能（每单位厚度）没有关系。坚持一个更有意义的基于热导率的定义比坚持一个电阻/工件特定的定义更有意义。可能是最常见的重叠材料定义将标记设置为0.025 wm-1 k-1的k值）。高性能泡沫绝缘，如聚氨酯或酚醛树脂，是传统和超绝缘产品之间的过渡区域（见表1）。在我们看来，今天将超绝缘材料的限值设为0.020 wm-1 k-1更有意义，这是我们今后将坚持的定义。选择这种限制的主要原因是，它限制了术语真正真正先进的绝缘材料和解决方案，其本质上不同于传统泡沫和FIFIBER产品。我们提出的术语定义与最先进的技术和/或材料同义。根据这一定义，表1中以绿松石突出显示的一组超级绝缘体仅包含三种产品：气凝胶、真空隔热板（VIP）和真空玻璃（VG）。下面将更详细地讨论这些问题。

真空隔热板和真空玻璃具有优异的耐热性，因为多孔芯材料或玻璃空腔的抽空分别导致气体分子的热传递急剧减少。相反，气凝胶是非抽空的上吸附器。它们的低导热系数与这些材料的孔结构有关。在简要回顾气凝胶独特的结构特征对热传递的影响之前，让我们先简要回顾一下基本的热传递机制。一般来说，热量是通过传导、对流和辐射传递的。在多孔材料中，总传热可能有很多贡献，即：

bull;通过固体材料传导，

bull;通过孔隙介质传导（间隙流体，如空气、水）

bull;孔隙介质的对流输送，

bull;固体表面通过孔隙流体的辐射传输，

bull;固体通过固体网络或散货的辐射传输

超绝缘SiO2气凝胶是低密度（通常在0.08-0.2 gcm-3范围内）纳米结构固体，多孔性[90%，典型的介孔直径介于4-20纳米之间。这些中孔可占总孔隙体积的90%以上。气凝胶由于低密度和小孔隙的结合而具有极低的导热性。换言之，小孔隙有效地限制了传导和对流气体的传输，而低密度则意味着固体网络是脆弱的，仅提供有限的传导途径。几个研究小组已经对气凝胶材料的隔热方面进行了详细的研究，主要贡献来自巴伐利亚应用能源研究中心Zae的Fricke、Reichenauer和Weinla-der小组（见[7]，第21章）。下面，让我们简单地回顾一下气凝胶的传热途径。

一方面，孔隙流体，即空气的对流已经在具有微孔孔径的多孔材料（如聚合物泡沫绝缘体）中显著地减少，因此只有传导和辐射保持。然而，由于孔尺寸较小，因此，在这种情况下，空气通过孔流体的传导热传递不再等于自由气体的传导热传递，而是遵循克努森公式[10]，从而导致有效的气体传导对总热导率的贡献远低于自由气体。当气体分子的平均自由程受到单个孔壁的有效约束时，就满足了这一条件。平行板间的传导和辐射问题是由一个只能用数值求解的积分微分方程来表述的[11]。对于气凝胶等半透明灰色材料，提出了基于有效发射率概念的分析解[12]。通过孔隙流体的辐射传输与传统的泡沫绝缘材料相当，并且强烈依赖于密度（或者更精确地是直接与密度相关的网络连通性）。通过固体网络的辐射热传递经常被忽略，但有时可以代表气凝胶中总热导率的几十%。这种贡献与温度有关，在高温和超低密度气凝胶中占主导地位。在环境条件下，通过大块固体骨架的传导性（声子）传热是原始密度大于200kg m-3的介孔气凝胶的主要贡献。它的大小很大程度上取决于纳米结构以及体积密度。从动力学输运理论可以知道固体中热传导Ksolid的表达式，

其中c是jm-3k-1中单位体积的特定热容量，“平均自由程和v是速度，下标表示电子（e）和声子（ph）的贡献。对于像SiO2这样的电绝缘体，式1中的电子项可以忽略不计，因此传导主要是由声子引起的。声子在固体骨架中的传播是由网络曲折性决定的。对于SiO2颗粒组成的硅胶气凝胶，通常在3-7nm的尺寸范围内，Bernasconi等人[13]发现声子热传递可归因于粒子和分子振荡/振动模式。散射技术（如SAXS和SANS测量）经常被用来将气凝胶的整体网络结构与其热传输特性联系起来[14–16]。

大多数商业上相关的SiO2气凝胶的密度在80到200 kg m-3之间。它们的热导率值主要是通过高密度的固体硅颗粒网络传导，以及通过低密度的孔内空气辐射和气体传导的组合。为了生产导电率最低的材料，有必要在这两种类型的贡献之间找到一个最佳的方法。显然，在讨论这些材料的热传递特性时，阿雷诺格尔密度已经确立了自己的中心参数。请注意，出于清晰和简单的原因，我们的讨论仅基于室温热导率值。它们与环境应用相关，由建筑保温材料主导，代表着世界保温材料市场的主要份额。由于对超绝缘产品越来越感兴趣，我们还将提供对其他两个真空超绝缘系统的简要描述，这两个系统是真空隔热板和真空玻璃的补充，以完成设想。

2.2导热系数的压力依赖性

通过抽空一个容器从而限制气体热传输来获得超绝缘性能的想法并不完全是一个新概念：第一个杜瓦瓶，一个抽空的玻璃瓶，是詹姆斯·杜瓦爵士100多年前发明的。为了消除气体的对流和传导，玻璃容器内的空间被抽真空到大约10-4帕（10-6托）。内玻璃表面涂有红外反射金属薄膜，减少了辐射热传输。人们很快意识到，在真空容器的情况下，需要高质量的真空来抑制气体热传输。然而，如果要将多孔材料放入内部并排空，气体分子的热传递已经在更高的压力（低质量真空水平）下得到有效抑制。在多孔固体中，气体热传递由气体分子作为传递介质的数量密度（压力）以及冷热侧之间的“壁”或固体骨架连接通道的数量决定。在高压下，气体分子的平均自由程远小于孔隙的大小。这意味着气体粒子之间的碰撞（动量传递）限制了总的热传递。在大气条件下，大多数传统的多孔绝缘材料都是如此。如果我们现在通过抽空来降低气体压力，气体的导电率或多或少保持不变，直到气体分子的平均自由程达到与固体孔隙大小成正比的值。此时，通过气体分子的通讯或热交换由于与孔壁的碰撞而显著下降。这意味着具有足够小孔隙的真空固体可以成为一种超绝缘材料。

图3显示了孔径对有效热导率压力依赖性的影响。标记为“静止空气”的黑点线是指在给定压力下纯空气的热导率，而不考虑对流，即空气保持静止，气流诱导的热传输可以忽略不计的情况。标准聚合物泡沫（蓝色曲线）绝缘材料如挤出聚苯乙烯（XPS）在几十到几百微米范围内具有典型的孔径。介孔材料，如气凝胶或气相二氧化硅（分别为红色和绿色曲线），其孔径在100纳米以下。我们观察到，随着孔径的增大，真空必须被推到较低的压力，以消除气相传导对整体热导率的贡献。例如，对于气凝胶和气相二氧化硅，K与P曲线达到其最小值约30 hpa（mbar）。XPS泡沫具有明显更大的孔隙将需要疏散到低于0.1 hPa的压力。在没有多孔固体的情况下（例如真空玻璃单元的空腔内），需要低于10-3 hpa的真空水平来完全消除气相传热。

对于标准应用，即在接近环境温度的情况下，气体传导通常是整个热传输的最大贡献者。然而，当创造完美的超绝缘材料或组件时，通过散装材料的传导也需要最小化，这就等同于对抽空固体的高孔隙率（以及本质上的低体积导电率）的要求。以类似的方式，需要考虑辐射传输。后者在高温下尤其相关。在介绍了真空超绝缘的基础知识之后，让我们简单地放大两个最典型的系统及其应用：真空隔热板（VIPS）和真空玻璃（VG）。

2.3真空超绝热系统lt;

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