【康沃真空網(wǎng)】7月24日14時(shí)22分，搭載問天實(shí)驗(yàn)艙的長(zhǎng)征五號(hào)B遙三運(yùn)載火箭在中國文昌航天發(fā)射場(chǎng)點(diǎn)火發(fā)射，發(fā)射取得圓滿成功。在本次發(fā)射任務(wù)中，南航材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院超級(jí)絕熱復(fù)合材料課題組陳照峰教授、楊麗霞講師開發(fā)的航天級(jí)輕質(zhì)納米真空絕熱板，成功應(yīng)用于我國問天實(shí)驗(yàn)艙低溫實(shí)驗(yàn)保冷設(shè)備。

▲團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)6年，經(jīng)過上百次實(shí)驗(yàn)，開發(fā)出超低導(dǎo)熱、長(zhǎng)壽命輕質(zhì)納米真空絕熱板。突破了復(fù)雜真空成型和封裝安裝技術(shù)等瓶頸，確保了真空絕熱板性能長(zhǎng)期穩(wěn)定。圖片來源于中新網(wǎng)。

　　作為一種新型的高效絕熱材料，真空絕熱板（Vacuum insulation panel，VIP）具有導(dǎo)熱系數(shù)低、體積小、質(zhì)量輕、防火、環(huán)保無污染等特點(diǎn)，導(dǎo)熱系數(shù)低至1.5mW / (m·k)。

　　與傳統(tǒng)絕熱材料相比，VIP板導(dǎo)熱系數(shù)只有傳統(tǒng)絕熱材料的六分之一甚至更低，其厚度也僅為普通材料的五分之一至十分之一，且VIP板在生產(chǎn)過程中不使用消耗臭氧層物質(zhì)（ODS）或者產(chǎn)生溫室氣體物質(zhì)，還可以回收利用，兼具綠色環(huán)保和安全節(jié)能的雙重優(yōu)勢(shì)，并達(dá)到節(jié)省空間的目的，是理想的保溫隔熱材料，適用于受空間限制及保溫性能要求比較高的場(chǎng)合。

　　真空絕熱板自發(fā)明以來被廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)、科研領(lǐng)域。它是怎樣制備的？與真空技術(shù)有哪些聯(lián)系？本文一起來認(rèn)識(shí)一下這位“保溫隔熱小能手”。

　　真空絕熱板的結(jié)構(gòu) 

　　VIP主要由芯材、阻隔膜、和吸氣劑3部分組成。VIP的熱量傳遞主要包括芯材的導(dǎo)熱、VIP內(nèi)部殘留氣體的導(dǎo)熱、對(duì)流傳熱和輻射傳熱4部分組成。

▲ VIP結(jié)構(gòu)圖

　　為了最大限度地降低這4部分熱量傳遞，VIP在制作中應(yīng)最大程度地優(yōu)化其各構(gòu)成部分的性能，尤其要注意以下3個(gè)方面的問題：

　　■ 芯材要有較低的導(dǎo)熱系數(shù)、一定的強(qiáng)度，以避免抽真空時(shí)塌癟，同時(shí)還要有一定的孔隙，便于形成真空。

　　■ 隔氣結(jié)構(gòu)材料要具有良好的隔氣性能和阻熱性能，同時(shí)還要具有一定的強(qiáng)度，以保護(hù)芯材。

　　■ 真空度的大小與VIP的熱工性能息息相關(guān)。根據(jù)不同的芯材，需要選擇不同的抽真空壓力。例如，對(duì)于一般開孔型的發(fā)泡板，其孔徑的分布范圍為0.01~0.1mm，為了保證好的絕熱效果，板內(nèi)的真空壓力需要維持在1~100Pa。而對(duì)于采用納米孔芯材（其孔徑的分布范圍一般為10~100nm）的VIP，板內(nèi)只要維持1000~2000Pa的真空壓力就可達(dá)到與一般開孔型的發(fā)泡板基本相同的隔熱效果。

　　▲ 常見的VIP多為矩形平板VIP，但也有少量異形板，如弧形VIP、帶凹槽VIP、表面凹坑VIP和帶鉚釘孔VIP等。圖中即為多種異形結(jié)構(gòu)的VIP。

　　真空絕熱板的制備 

　　真空絕熱板的制備流程如下：

　　■ 將芯材固化、干燥、平整成平板，再多層疊加與裁切并裝入隔氣隔熱阻燃袋；

　　■ 平放于真空封裝機(jī)中，在袋子上壓板避免封裝不均勻，捋平熱封口上下兩層膜，然后放下真空室蓋，抽真空將蓋子壓實(shí)；

　　■ 加熱熱封金屬條，并將熱傳導(dǎo)到封口鋁塑膜內(nèi)層PE層，保持一定時(shí)間，PE層熔融復(fù)合，斷電降溫，真空室緩慢放氣，即可制得真空絕熱板產(chǎn)品。

▲ VIP的制備流程

　　生產(chǎn)過程中真空度是影響熔融封裝的重要因素，直接影響到真空絕熱板的壽命和可靠性，因此在真空絕熱板生產(chǎn)過程中，保持良好的真空條件十分重要。真空系統(tǒng)排氣質(zhì)量關(guān)系到真空絕熱板的絕熱性能和使用壽命，因而對(duì)排氣系統(tǒng)要進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量管理。排氣過程中要對(duì)真空度進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)測(cè)，真空計(jì)要定期校驗(yàn)，并設(shè)質(zhì)量控制點(diǎn)，認(rèn)真做好各項(xiàng)記錄。

　　作為VIP的骨架材料和維持真空的必備條件，芯材在VIP體系中起著舉足輕重的作用。芯材用于支撐VIP的板壁面，需承受約100kPa的壓力，避免在真空條件下外部的封閉薄膜收縮、塌癟。VIP芯材主要分為如下幾類。

　?、?顆粒型芯材：硅土粉、珍珠巖、氣相二氧化硅等隔熱顆粒構(gòu)成的芯材統(tǒng)稱為顆粒型芯材，上圖為該芯材球體模型。顆粒型芯材優(yōu)點(diǎn)在于真空狀態(tài)下其導(dǎo)熱系數(shù)較低，且對(duì)壓力增加不敏感，但是這類芯材VIP制作過程中很難控制，例如抽真空時(shí)必須防止芯材微小顆粒被抽出來，高吸濕性對(duì)抽真空不利等。另外，顆粒類芯材密度比較高，增加了VIP的重量。

　　② 泡沫型芯材：如發(fā)泡聚苯乙烯和發(fā)泡聚氨酯，也常常作為VIP的芯材，上圖為開孔泡沫的簡(jiǎn)易模型。這些泡沫型芯材密度低（60~100kg/m3）、孔徑小，因此具有非常低的導(dǎo)熱系數(shù)。另外，泡沫型芯材生產(chǎn)方便、價(jià)格低廉，因此得到了廣泛的應(yīng)用。但泡沫型芯材卻很難在低壓（≤10Pa）下保持真空狀態(tài)，因此具有比較短的壽命。

　?、?纖維型芯材：例如玻璃纖維、巖棉、陶瓷纖維，具有質(zhì)量低、高溫穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。與泡沫類、粉末類芯材相比，纖維類芯材制備的VIP導(dǎo)熱系數(shù)最低。上圖為纖維絕緣材料的簡(jiǎn)易模型，一般具有疊層結(jié)構(gòu)，每層纖維層由多根長(zhǎng)纖維搭接而成，呈現(xiàn)多個(gè)角度。由于纖維一般是隨機(jī)排列的，所以纖維型芯材結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差。

　?、?復(fù)合芯材：復(fù)合芯材通常指纖維基復(fù)合芯材，該芯材以纖維材料作為骨架，將不同尺寸的顆粒填充在纖維的孔隙空間中，組成一個(gè)具有相對(duì)密實(shí)結(jié)構(gòu)的芯材。這類新型復(fù)合芯材展現(xiàn)了比較優(yōu)異的特性，具有耐壓強(qiáng)度高、抽真空后回彈性小、抗折強(qiáng)度高、抽真空時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，能夠融合單一芯材的優(yōu)點(diǎn)并克服單一芯材的缺點(diǎn)，滿足不同使用場(chǎng)合和使用領(lǐng)域?qū)τ赩IP的性能要求。上圖為建筑用隔熱纖維與隔熱顆粒混雜復(fù)合芯材。

▲ 不同芯材的VIP板導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)比

　　真空絕熱板的發(fā)展與應(yīng)用 

　　真空絕熱板是20世紀(jì)50年代發(fā)明的。早期的真空絕熱板采用的芯材主要是粉狀材料或纖維材料，如珠光粉、粉狀二氧化硅、粉狀碳酸鈣、活性炭、玻璃纖維等。粉狀二氧化硅芯材真空絕熱板隔熱性能好、壽命長(zhǎng)、綜合性能較佳、技術(shù)成熟，至今仍在生產(chǎn)和使用。其主要用于航空航天、醫(yī)用保溫箱等，也用于民用制冷設(shè)備，但這種真空絕熱板價(jià)格高，密度較大，從而限制了其廣泛使用。

　　20世紀(jì)70年代，真空絕熱板的概念首先由美國NASA提出，其設(shè)計(jì)的產(chǎn)品是以氣相二氧化硅作為芯材，將5cm厚的絕熱板應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)15cm厚的墻體上，達(dá)到R-70的熱阻值。隨后在人們發(fā)現(xiàn)冰箱用氟利昂對(duì)大氣中臭氧層有消耗作用后，冰箱節(jié)能技術(shù)的需求極大地促進(jìn)了真空絕熱板的研究和開發(fā)。以有機(jī)泡沫為芯材的真空絕熱板的出現(xiàn)，使其在醫(yī)用保溫箱、冰箱、冷凍箱和船用冷藏器材等領(lǐng)域得到大量應(yīng)用。

　　國內(nèi)VIP板的研究始于21世紀(jì)初，由于發(fā)展時(shí)間較短，市場(chǎng)認(rèn)知有限，加之成本較高，國內(nèi)應(yīng)用仍處于導(dǎo)入期，其中約80%應(yīng)用集中于冰箱冰柜等家電制造領(lǐng)域。2010年國內(nèi)VIP板產(chǎn)量?jī)H80萬平米，2015年達(dá)到1105萬平米，2018年國內(nèi)VIP板板銷量約2000萬平米，年復(fù)合增速約50%，產(chǎn)值達(dá)25億元左右。2019年我國VIP企業(yè)數(shù)量20余家，年產(chǎn)能5000萬平方米，實(shí)際銷量約4000萬平方米，產(chǎn)值約40億元。

　　2010年以來，我國南京航空航天大學(xué)成功研發(fā)了超細(xì)離心玻璃棉芯材真空絕熱板，初始導(dǎo)熱系數(shù)低至1.5mW / (m·k)，在無吸氣劑時(shí)壽命可達(dá)15年，在吸氣劑條件下，壽命可達(dá)50年以上，成為很多國外家電企業(yè)采購的首選產(chǎn)品。

　　2015年9月，第十二屆國際真空絕熱材料會(huì)議在南京航空航天大學(xué)科學(xué)館舉行，全面展示了中國真空絕熱板的技術(shù)和發(fā)展現(xiàn)狀，從此奠定了中國成為真空絕熱板生產(chǎn)大國的地位。

　　在航空航天領(lǐng)域，除了前文提到的應(yīng)用于問天實(shí)驗(yàn)艙低溫實(shí)驗(yàn)保冷設(shè)備，真空絕熱板主要應(yīng)用于飛行器的熱防護(hù)系統(tǒng)（Thermal protection system，TPS），以解決氣動(dòng)加熱問題。TPS是發(fā)展高超聲速飛行器的關(guān)鍵性技術(shù)之一，而開發(fā)新型隔熱材料是TPS中最為實(shí)用的途徑。TPS作為一種特殊結(jié)構(gòu)的耐高溫VIP，目前已被廣泛應(yīng)用于航天器防熱結(jié)構(gòu)。

　　目前，真空絕熱板已開始應(yīng)用于冰箱、冰柜、建筑、船舶、公路和空中冷藏運(yùn)輸?shù)让裼妙I(lǐng)域。其中，冰箱、冰柜行業(yè)是真空絕熱板未來應(yīng)用最大的領(lǐng)域。隨著VIP技術(shù)成熟和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，在性能和價(jià)格方面替代傳統(tǒng)的保溫材料將成為可能。

▲ VIP芯材下游應(yīng)用場(chǎng)景廣泛