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　　原标题：真空绝热板坐火箭上天了！问天实验舱中的“保温小能手”是如何制备与应用的？

　　7月24日14时22分，搭载问天实验舱的长征五号B遥三运载火箭在中国文昌航天发射场点火发射，发射取得圆满成功。在本次发射任务中，南航材料科学与技术学院超级绝热复合材料课题组陈照峰教授、杨丽霞讲师开发的航天级轻质纳米真空绝热板，成功应用于我国问天实验舱低温实验保冷设备。

　　▲团队历经6年，经过上百次实验，开发出超低导热、长寿命轻质纳米真空绝热板。突破了复杂真空成型和封装安装技术等瓶颈，确保了真空绝热板性能长期稳定。图片来源于中新网。

　　作为一种新型的高效绝热材料，真空绝热板（Vacuum insulation panel，VIP）具有导热系数低、体积小、质量轻、防火、环保无污染等特点，导热系数低至1.5mW / (m·k)。

　　与传统绝热材料相比，VIP板导热系数只有传统绝热材料的六分之一甚至更低，其厚度也仅为普通材料的五分之一至十分之一，且VIP板在生产过程中不使用消耗臭氧层物质（ODS）或者产生温室气体物质，还可以回收利用，兼具绿色环保和安全节能的双重优势，并达到节省空间的目的，是理想的保温隔热材料，适用于受空间限制及保温性能要求比较高的场合。

　　真空绝热板自发明以来被广泛应用于各个工业、科研领域。它是怎样制备的？与真空技术有哪些联系？本文一起来认识一下这位“保温隔热小能手”。

　　VIP主要由芯材、阻隔膜、和吸气剂3部分组成。VIP的热量传递主要包括芯材的导热、VIP内部残留气体的导热、对流传热和辐射传热4部分组成。

　　为了最大限度地降低这4部分热量传递，VIP在制作中应最大程度地优化其各构成部分的性能，尤其要注意以下3个方面的问题：

　　■ 芯材要有较低的导热系数、一定的强度，以避免抽真空时塌瘪，同时还要有一定的孔隙，便于形成真空。

　　■ 隔气结构材料要具有良好的隔气性能和阻热性能，同时还要具有一定的强度，以保护芯材。

　　■ 真空度的大小与VIP的热工性能息息相关。根据不同的芯材，需要选择不同的抽真空压力。例如，对于一般开孔型的发泡板，其孔径的分布范围为0.01~0.1mm，为了保证好的绝热效果，板内的线Pa。而对于采用纳米孔芯材（其孔径的分布范围一般为10~100nm）的VIP，板内只要维持1000~2000Pa的真空压力就可达到与一般开孔型的发泡板基本相同的隔热效果。

　　▲ 常见的VIP多为矩形平板VIP，但也有少量异形板，如弧形VIP、带凹槽VIP、表面凹坑VIP和带铆钉孔VIP等。图中即为多种异形结构的VIP。

　　■ 将芯材固化、干燥、平整成平板，再多层叠加与裁切并装入隔气隔热阻燃袋；

　　■ 平放于真空封装机中，在袋子上压板避免封装不均匀，捋平热封口上下两层膜，然后放下真空室盖，抽真空将盖子压实；

　　■ 加热热封金属条，并将热传导到封口铝塑膜内层PE层，保持一定时间，PE层熔融复合，断电降温，真空室缓慢放气，即可制得真空绝热板产品。

　　生产过程中真空度是影响熔融封装的重要因素，直接影响到真空绝热板的寿命和可靠性，因此在真空绝热板生产过程中，保持良好的真空条件十分重要。真空系统排气质量关系到真空绝热板的绝热性能和使用寿命，因而对排气系统要进行严格的质量管理。排气过程中要对真空度进行严格的监测，真空计要定期校验，并设质量控制点，认真做好各项记录。

　　作为VIP的骨架材料和维持真空的必备条件，芯材在VIP体系中起着举足轻重的作用。芯材用于支撑VIP的板壁面，需承受约100kPa的压力，避免在真空条件下外部的封闭薄膜收缩、塌瘪。VIP芯材主要分为如下几类。

　　① 颗粒型芯材：硅土粉、珍珠岩、气相二氧化硅等隔热颗粒构成的芯材统称为颗粒型芯材，上图为该芯材球体模型。颗粒型芯材优点在于真空状态下其导热系数较低，且对压力增加不敏感，但是这类芯材VIP制作过程中很难控制，例如抽真空时必须防止芯材微小颗粒被抽出来，高吸湿性对抽真空不利等。另外，颗粒类芯材密度比较高，增加了VIP的重量。

　　② 泡沫型芯材：如发泡聚苯乙烯和发泡聚氨酯，也常常作为VIP的芯材，上图为开孔泡沫的简易模型。这些泡沫型芯材密度低（60~100kg/m3）、孔径小，因此具有非常低的导热系数。另外，泡沫型芯材生产方便、价格低廉，因此得到了广泛的应用。但泡沫型芯材却很难在低压（≤10Pa）下保持真空状态，因此具有比较短的寿命。

　　③ 纤维型芯材：例如玻璃纤维、岩棉、陶瓷纤维，具有质量低、高温稳定性好的特点。与泡沫类、粉末类芯材相比，纤维类芯材制备的VIP导热系数最低。上图为纤维绝缘材料的简易模型，一般具有叠层结构，每层纤维层由多根长纤维搭接而成，呈现多个角度。由于纤维一般是随机排列的，所以纤维型芯材结构稳定性较差。

　　④ 复合芯材：复合芯材通常指纤维基复合芯材，该芯材以纤维材料作为骨架，将不同尺寸的颗粒填充在纤维的孔隙空间中，组成一个具有相对密实结构的芯材。这类新型复合芯材展现了比较优异的特性，具有耐压强度高、抽真空后回弹性小、抗折强度高、抽真空时间短等优点，能够融合单一芯材的优点并克服单一芯材的缺点，满足不同使用场合和使用领域对于VIP的性能要求。上图为建筑用隔热纤维与隔热颗粒混杂复合芯材。

　　线年代发明的。早期的真空绝热板采用的芯材主要是粉状材料或纤维材料，如珠光粉、粉状二氧化硅、粉状碳酸钙、活性炭、玻璃纤维等。粉状二氧化硅芯材真空绝热板隔热性能好、寿命长、综合性能较佳、技术成熟，至今仍在生产和使用。其主要用于航空航天、医用保温箱等，也用于民用制冷设备，但这种真空绝热板价格高，密度较大，从而限制了其广泛使用。

　　20世纪70年代，真空绝热板的概念首先由美国NASA提出，其设计的产品是以气相二氧化硅作为芯材，将5cm厚的绝热板应用于标准15cm厚的墙体上，达到R-70的热阻值。随后在人们发现冰箱用氟利昂对大气中臭氧层有消耗作用后，冰箱节能技术的需求极大地促进了真空绝热板的研究和开发。以有机泡沫为芯材的真空绝热板的出现，使其在医用保温箱、冰箱、冷冻箱和船用冷藏器材等领域得到大量应用。

　　国内VIP板的研究始于21世纪初，由于发展时间较短，市场认知有限，加之成本较高，国内应用仍处于导入期，其中约80%应用集中于冰箱冰柜等家电制造领域。2010年国内VIP板产量仅80万平米，2015年达到1105万平米，2018年国内VIP板板销量约2000万平米，年复合增速约50%，产值达25亿元左右。2019年我国VIP企业数量20余家，年产能5000万平方米，实际销量约4000万平方米，产值约40亿元。

　　2010年以来，我国南京航空航天大学成功研发了超细离心玻璃棉芯材真空绝热板，初始导热系数低至1.5mW / (m·k)，在无吸气剂时寿命可达15年，在吸气剂条件下，寿命可达50年以上，成为很多国外家电企业采购的首选产品。

　　2015年9月，第十二届国际真空绝热材料会议在南京航空航天大学科学馆举行，全面展示了中国真空绝热板的技术和发展现状，从此奠定了中国成为真空绝热板生产大国的地位。

　　在航空航天领域，除了前文提到的应用于问天实验舱低温实验保冷设备，真空绝热板主要应用于飞行器的热防护系统（Thermal protection system，TPS），以解决气动加热问题。TPS是发展高超声速飞行器的关键性技术之一，而开发新型隔热材料是TPS中最为实用的途径。TPS作为一种特殊结构的耐高温VIP，目前已被广泛应用于航天器防热结构。

　　目前，真空绝热板已开始应用于冰箱、冰柜、建筑、船舶、公路和空中冷藏运输等民用领域。其中，冰箱、冰柜行业是真空绝热板未来应用最大的领域。随着VIP技术成熟和产业化发展，在性能和价格方面替代传统的保温材料将成为可能。