关于气凝胶热绝缘的概述外文翻译资料

 2022-07-30 02:07

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关于气凝胶热绝缘的概述

摘要：本文重点介绍气凝胶与热绝缘之间存在的重要联系。长期以来，这个应用领域被认为是这些纳米材料最有希望的潜在市场。今天有几个指标表明，过去的这个设想很可能在不久的将来成为现实。 基于该领域的最新发展，我们确信气凝胶仍然提供非真空绝缘系统的最大潜力，因此必须被视为可持续发展的绝佳机会。 然而，这种产品的实际实现是耗时的，并且仍然需要大量的研发活动以产生用于大众市场的基于气凝胶的绝缘产品。

关键词：气凝胶、 复合材料、超绝缘、隔热、绝缘市场、能源高效建筑、商业化、溶胶—凝胶、导热系数、结构依赖、环境压力干燥、超临界CO2、疏水化

1全球需要超绝缘解决方案

1.1为什么是超绝缘？

自从七十年代第一次全球石油危机以来，作为我们化工行业和能源载体第一资源的化石燃料的稀缺，已经暗示了现代社会对廉价能源和资源的依赖。短期或长期，这一事实正在迫使人类重新考虑全球能源战略，从而采取适当措施。除了世界范围内碳基燃料供应有限之外，碳足迹的影响，即地球大气中上升的二氧化碳（CO2）浓度的影响及其对全球气候的影响已变得无可争议地明确：新闻媒体的广泛报道在千年到来之际使公众认识。显示熔化极性帽的图片在世界各地，使其观众在敬畏的状态：人类的胜利通过技术时代的恒星进步的影响不能再被否认。突然，我们的宝贵的技术和自由市场经济正在威胁我们的生存的连续性。

在实现这一目标后，国际政治努力正在要求立即解决全球变暖和气候变化问题。 在这种情况下经常引用的目标是将大气中CO2浓度稳定在500ppm以下。 行动的必要性和对可再生能源（没有二氧化碳净排放的来源）的快速增长的需求导致对这些技术的实施潜力和速度的高估，这种说法足以充分描述当前的情况。 虽然绝对需要我们的进步和对我们未来的必要投资，替代能源计划的发展是一项艰巨的任务，需要几十年甚至几个世纪才能完全取代目前的技术。 我们对石油，天然气和煤炭的依赖（[2003年世界能源需求的85％]）比大多数人感到舒适。 因此，假设可再生能源将能够像某些集团所声称的那样在未来10-20年内替代一部分基于碳的能源载体是完全不切实际的。 立即实施和推迟行动的主要原因是技术难题和经济障碍。 这种实现自动导致有限数量的全球减少二氧化碳和温室气体排放的合理策略。 理想的行动过程需要短期，中期和长期战略，以弥合差距，同时为蓝色星球开发长期可再生能源供应系统。

为了实现在2100年前将大气中二氧化碳浓度稳定在百万分之500的雄心勃勃的目标，需要采取一些措施。这些措施分为主要的二氧化碳排放者，即流动性（车辆，船舶，包括货物运输的飞机），发电厂/重工业和建筑物。令人惊讶的是，对大多数人来说，建筑物占全球能源消耗的约40％，比整个移动部门的份额更大。它带来了类似大小的二氧化碳足迹。建筑部门的另一个关键特征是：虽然在运输，发电厂和重工业中使用的当前技术在很大程度上得到优化，但对于建筑物的节能潜力却不是这样。 HVAC（供暖，通风和空调）占建筑总能耗的绝大部分，但在世界许多地区（几乎除欧洲中部和北部以外的所有地方），实际的保温标准远远不够理想。因此，大量的绝缘性差的建筑物在全球各地加入了一个巨大的短期潜力，目前应立即减少二氧化碳排放。

1.2建筑作为巨大的市场机遇

制定方法来推动使用可再生能源并使交通更加高效是巨大的挑战，需要几十年才能实现商业化。这部分是由于当前的交通系统（汽车、航空、火车）已经高度优化，为了实现另一个显着的效率提升，新技术需要在商业层面上进行开发和扩展。显然这是一个相当耗时的过程。然而，为了与气候变化议定书保持同步，需要立即采取措施，开始削减现在的二氧化碳排放量。实现这一点的最有希望的方法之一当然是减少建筑物HVAC系统的能量消耗。这可以通过设置适当的热绝缘以最小的努力来完成。如果要认真对待气候变化，首先社会必须要求改善绝缘解决方案。这涉及新的和已经存在的建筑物，即使在老式结构的情况下的节省潜力相当大。实现建筑物热损失减少的最经济的方法是安装更厚的常规绝缘材料层。当然，与这种笨重的外墙建筑相关的美学缺点：隔热物体占据更多的空间，可居住的生活空间的体积分数减少。在大多数情况下，成本和绝缘性能是建筑物新建筑和复古结构的主要参数。

与成本和绝缘性能一起作为选择建筑保温的标准。常规或标准绝缘产品部门是购买绝缘材料时最普遍的建筑业主需求，因为它提供了最佳的单位成本性能。超绝缘提供改进的性能，但是显着更高的成本。低成本产品以极低的价格提供差的性能（和耐用性）。超绝缘的使用仅限于其由于节省空间效应，改进的使用寿命（较低的维修/支撑成本）或先进的产品性能（耐化学品，高温或低温等）而提供成本优势的领域。在建筑领域，节省空间是使用超级绝热的首要原因。典型的例子包括侧面阳台和可触及的屋顶阳台结构，建筑复古的内部保温解决方案以及修复历史建筑的薄型外墙保温。建筑行业以外的许多其他利基隔热市场，例如服装，航空航天，石化管道和工业应用中的泵送液体介质以及低温工艺的隔热材料值得提及，将在后面更详细地讨论。

2高性能绝缘或超绝缘：概念和实例

2.1定义和材料分类

到目前为止，我们已经为超绝缘产品的市场和应用确定了定义。但也许关键问题还没有被解决：材料或组件如何分类为超级绝缘材料？定义两个同义词“超导”或“高性能绝缘”的最简单的方法是通过在标准（环境）条件下测量的热导率k（lambda）。热导率是固有的材料性质，并且由通过具有作用在两个表面上的有效温度差DT的区域A和厚度d的材料的板的热流来定义。真空绝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窗腔的排空分别导致气体分子的热传输的急剧减少。 相反，气凝胶是非抽空的超级保险。 它们的低热导率与这些材料的孔结构相关。 在简单回顾气凝胶独特的结构特征对热传输的影响之前，让我们重述一下底层的热传递机制。通常，热通过传导，对流和辐射传递。 在多孔材料中，对于总热传递有五种可能，即：通过固体材料的传导，通过孔介质（间隙流体，例如空气、水）的传导，通过孔介质的对流传输，从固体表面通过孔隙流体的辐射传输，从固体到固体网络的辐射传输。

超绝缘SiO2气凝胶是具有孔隙率[90％，典型中孔直径在4和20nm之间的）低密度（通常在0.08-0.2gcm -3范围内）纳米结构固体。 那些中孔可以总计多于总孔体积的90％。 气凝胶由于其低导热性与低密度和小孔隙的组合。 换句话说，小孔有效地限制传导和对流气体输送，另一方面，低密度意味着固体网络是细密的只提供有限的传导通路。 几个研究小组非常详细地研究了气凝胶材料的绝热方面，来自巴伐利亚应用能源研究中心ZAE的Fricke，Reichenauer，Weinla等人的领域的主要贡献。 接下来，让我们简要地重述气凝胶中的热传递路径。

一方面，孔隙流体（即空气）的对流已经在具有微米孔径的多孔材料（例如聚合物泡沫绝缘体）中显着降低，使得仅保留传导和辐射。然而，由于小孔径，通过孔隙流体（在这种情况下为空气）的传导热传递不等于游离气体的传导热传递，而是遵循Knudsen公式，因此导致对总体的有效气体传导贡献热导率远低于自由气体。当气体分子的平均自由路径被单个孔壁有效地约束时，满足该条件。平行板之间同时传导和辐射的问题由一个只能用数值求解的积分微分方程来表示。对于半透明灰色材料如气凝胶，已经提出了基于有效发射率的概念的分析解决方案。

大多数商业相关的超绝缘SiO2气凝胶具有80和200kg m -3之间的密度。它们的热导率值由在高密度下通过固体二氧化硅颗粒网络的传导以及在低密度下通过孔内的空气的辐射和气体传导的组合来支配。为了产生最低导电率材料，有必要在这两种类型的贡献之间找到最佳。似乎显而易见的是，在研究这些材料的热传输性质时，孤立体密度本身已经成为一个中心参数。注意，为了清楚和简单起见，我们基于我们的讨论仅仅基于室温导热率值。它们与环境应用相关，在建筑保温领域，它们代表了世界绝缘子市场的主要部分。

2.2压力与热导率的关系k

通过抽空容器并因此限制气体热传输实现超绝缘性能的想法不是一个新概念：第一个杜瓦瓶是一个真空玻璃瓶，是由James Dewar爵士100多年前发明的。将玻璃容器内的空间抽真空至约10 -4 Pa（10 -6 Torr），以消除气体对流和传导。内部玻璃表面涂有减少辐射热传输的IR反射薄金属膜。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遏制气体热传输。然而，如果将多孔材料置于内部并抽真空，则在更高压力（较低质量的真空水平）下已经有效地抑制了由气体分子的热传递。在多孔固体中，气体热传递由作为转移介质的气体分子的数密度（压力）以及由热侧和冷侧之间的“壁”或实体骨架连接路径的数量决定。在高压下，气体分子的平均自由程远小于孔的尺寸。这意味着气体颗粒之间的碰撞（动量传递）限制了总的热传递。在大气条件下，这对于大多数常规多孔绝缘材料是成立的。如果现在通过抽真空来降低气体压力，则气体电导率保持或多或少地恒定，直到气体分子的平均自由程达到大约为固体的孔尺寸的值。在这一点上，通过气体分子的通信或热交换显着地由于与孔壁的碰撞而下降。这意味着具有足够小的孔的真空固体可以变成超绝缘材料。图3显示了孔径对有效导热率的压力依赖性的影响。标记为“静止空气”的虚线黑色是在给定压力下纯净空气的热导率，而不考虑对流，即其中空气保持静止并且气体流动引起的热传输可忽略的情况。标准聚合物泡沫（蓝色曲线）绝缘材料，例如挤出聚苯乙烯（XPS），具有几十至几百微米范围内的典型孔径。介孔材料如气凝胶或热解法二氧化硅（分别为红色和绿色曲线）提供亚100nm范围内的孔径。人们观察到随着孔径的增加，真空必须推到较低的压力以消除气相传导对整体热传导的贡献。例如，对于气凝胶和热解法二氧化硅，k对p曲线达到约30hPa（mbar）的最小值。具有显着较大孔隙的XPS泡沫将需要抽空至低于0.1hPa的压力。在不存在多孔固体（例如，示例在真空玻璃窗的腔内），需要低于10-3hPa的真空度以完全消除气相热传递。 对于标准应用，即在接近环境温度下，气体传导通常是整个热传输的最大贡献者。 然而，当产生完美的超绝缘材料或部件时，也需要最小化通过本体材料的传导，这与对抽空的固体的高孔隙率（并且理想地本征低体积传导率）的要求同义。 以类似的方式，需要考虑辐射传输。 后者在升高的温度下特别相关。 已经涵盖了真空绝缘的基本知识，让我们简单地放大两个最典型的系统及其应用：真空绝热板（VIP）和真空玻璃（VG）。

3超绝缘气凝胶材料

3.1常用化学合成方法概述

二氧化硅气凝胶是研究最广泛的气凝胶材料，唯一的“真正的”今天可用。因此，我们将化学合成方法的讨论限于这类材料。通常，最广泛使用的硅源，所谓的前体是烷氧基硅烷如四乙氧基硅烷或四乙基硅酸酯TEOS和四甲氧基硅烷TMOS]或无机硅酸钠（水玻璃）。最近，作为廉价的替代品，已经研究了诸如油页岩灰，稻壳灰或灰烬[的废物。从更一般的观点来看，这种异乎寻常的前体是二氧化硅气凝胶生态设计策略的一部分。为了简单起见，我们仅关注两个更常见的水玻璃和烷氧化物前体的描述：两种前体都允许单一或两步制备。在单步反应中，形成胶体颗粒或较大的二氧化硅结块（通常称为簇）及其随机聚合形成三维网络结构，凝胶同时发​​生。在两步法中，分别通过水解或酸化/离子交换获得胶体颗粒溶液、溶胶。这样的溶胶状态可以在几周或几个月内稳定，因为胶体的聚集通过排斥的颗粒间电位（表面电荷）被抑制。由碱添加引起的胶体表面电荷的部分中和通常在第二步骤中引起凝胶化。当溶液的pH接近金属氧化物溶胶的等电点（pI）时，会发生这种情况。因为溶胶形成和凝胶化被很好地分离，所以两步法通常是更通用的并且可以更好地控制所得到的凝胶网络形态。水玻璃和基于醇盐的方法之间的主要化学差异是如下所述的溶剂介质的性质。硅酸钠是一种无机水溶性化合物，因此通常在水溶液中合成基于水玻璃的凝胶。通过在高温（* 1100℃）下使石英砂与钠钙反应并溶解所得固体“碎玻璃”，通过加入氢氧化钠最终调节pH值/钠含量在工业上制备。要记住的一个重要事实是，硅酸盐体系的化学复杂性和多样性：硅酸（Si（OH）4）和硅酸盐作为酸碱对由于其复杂的异构和结构而不像典型的无机无机酸。

5结论

过去10年来，基于气凝胶的隔热产品已经在各个利基市场，特别是隔热产品贸易中建立起了一席之地。与传统材料相比，气凝胶超分子具有优异的绝缘性能（较低的热导率值），可以转化为更薄的安装结构和/或改善绝缘性能。由于全球二氧化碳排放和节约空间的限制，气凝胶超临界产品将继续推进新市场。改进的气凝胶绝缘系统的发展和快速推进的工艺技术将允许制造商推广下一代定制产品。无机（特别是基于SiO2的）材料也可能在几年或几十年中发挥关键作用。预期除了纯二氧化硅系统之外，还将提供有机气凝胶和各种复合材料和/或杂化物（如有机 - 无机或纤维增强）材料和产品。总之，气凝胶绝缘产品的年增长潜力超过50％。为了比较在此列几个数据，常规绝缘产品的年增长率为5％。 2008年气凝胶绝缘产品占绝缘产品总销售量的不到0.3％。

今天，气凝胶绝缘材料的成本比标准绝缘产品的材料成本大约高20倍（每安装性能）。因此，使用气凝胶绝缘系统的主要理由是节省空间，降低运行成本，延长寿命和耐化学性。离岸油，高温和建筑保温以及航空航天应用是气凝胶产品在估计销量方面具有最显着增长潜力的行业。其中，建筑物的增长潜力肯定是最大的，但对材料的成本也比航空航天领域更为敏感。

立方米二氧化硅气凝胶的当前参考市场价格约为4000美元（2008年）。随着商业化的增加，到2020年，这一价值可能会下降到1500美元以下。价格下降将导致气凝胶绝缘市场的平衡或稳定。有机和混合/复合系统的进步可以另外激发这一发展过程。同时，我们将寻求在世界市场上看

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