气凝胶-基于热超绝热:概述外文翻译资料

 2022-03-22 08:03

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气凝胶-基于热超绝热:概述

Matthias Koebel bull; Arnaud Rigacci bull;

Patrick Achard

收到:2012年3月7日/接受:2012年4月27日/网上公布:2012年5月15日

施普林格科学 商业媒体,有限责任公司2012

摘要 本文重点是描述气凝胶和热之间的联系。长期以来,这个应用领域已经考虑这些最有前途的潜在市场比如纳米材料。如今，有几个迹象表明，旧的愿景在不久是可能成实现的。根据该领域的最新发展,我们仍然相信,气凝胶提供了最大的潜力，因此超绝热系统必须被视为一个了不起的可持续的发展机会。这类产品的实现，其实是非常耗费时间的，研发活动仍然需要改进。

关键词 气凝胶、聚合物复合材料、超绝热、绝缘材料市场、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、超临界二氧化碳、疏水化

1 全球需要超绝热的解决方案

1.1 为什么超绝热？

自从70年代第一次全球石油危机以来，由于化石燃料的稀缺，这个资源是我们的化学工业和能源载体，现代社会对廉价能源的依赖使这一资源的应用有了降低[1]。从短期或长期来看，事实就是如此，迫使人类重新思考全球能源战略，采取相应的措施。除了全球范围内的碳燃料供应有限，受碳足迹的影响，二氧化碳浓度(CO2)在地球大气中的[2]和它对全球气候的影响(3,4)已经成为了毋庸置疑的，媒体的广泛报道已经引起了公众意识。图片展示的融化的极地外貌。它的影响是人类在这方面取得了卓越的进步，技术时代不能再被否认了。前景也变得清晰，我们的宝贵技术和自由市场经济正威胁着我们的长久的的存在。

实现了这一目标，国际政治要求立即解决全球变暖和气候变化的问题。在这种情况下的稳定大气中的二氧化碳浓度低于500 ppm[5]。必要性行动和需求迅速增加。可再生能源(没有净排放来源，二氧化碳导致高估的潜在和速度，这些技术的实现。描述的现状相当充分。虽然对我们的进步和一个绝对必要的。

对于未来,investment in development of the 发展替代能源企业家方案,认真和工作队。 第三centuries to世界性置于current钢丝技术。我们依赖石油、天然气和煤([85% 2003年世界能源需求)远比 大多数人感觉舒适的承认。因此 完全不现实的假设可再生能源可以,就像某些团体声称,替换一个重要碳基能源的部分运营商在未来10 - 20年。立即实现的主要原因和推迟行动的技术困难和经济障碍[6]。这个实现自动导致有限数量的合理策略全球减少二氧化碳和温室气体排放。一个理想的行动需要短期、中期和长期的桥差距的战略。同时长期发展可再生能源供应系统的蓝色星球。

图1说明了一个场景包括所需要的步骤保持远大的目标，大气中的二氧化碳浓度稳定在500，每百万2100年投入使用。这些措施存在分歧主要二氧化碳排放国即流动性(车辆, 船舶、飞机包括货物运输)、电厂/ 重工业和建筑物。令人惊讶的是,大多数人， 建筑占大约40%的全球能源消耗，比整个的更大。随之而来的是二氧化碳排放量大小。

建筑行业的另一个关键是鉴于当前技术用于运输、发电厂和重工业进行了优化，在很大程度上,节能也是不正确的[8]。暖通空调(采暖、通风和 空调)是量最多的一个建筑能源需求，然而在世界的许多地区 (几乎所有在欧洲中部和北部除外) 还有许多待实际保温标准。因此,那些大的绝缘不好的建筑，在全球范围内构成了一个短期减少二氧化碳排放量的可能。

1.2建筑作为一个很好的市场机会

想出一个办法来推动可再生能源的使用，来使交通更有效的重大的挑战，需要几十年，意识到这个商业在一定程度上是由于当前交通系统(汽车、航空、 火车)已经高度优化，为了达到另一个显著的效率提高,新的技术需要开发和高档的商业水平。显然这是一个相当耗时的过程。然而,为了保持气候，所以，改变协议需要立即采取措施，现在减少二氧化碳排放量。这可以通过建立适当的热绝缘。如果气候变化并加重的话, 第一,必须改进协会要求来投入使用。这一切都是经济方面的探讨,特别是联合国常规的材料。当然有一个审美的劣势，这样一个笨重的外观来建造绝缘对象占用更多的空间，居住的生活空间减少。在 大多数情况下,成本和绝缘性能是主要的参数来作为建设和改造。

与成本和绝缘性能标准来选择建筑保温。传统标准的绝缘产品部门[9]是最具代表性的 平均业主的需要时，购买提供了最好的性能/绝缘单位。超绝热提供改进的性能在一个更高的成本。低成本产品提供性能(和持久性)以极低的价格。

超绝热的使用仅限于它的领域可以提供成本优势由于节省空间的效果, 改进的较小(服务/支持成本低) 先进的产品属性(抵抗化学物质, 高或低的温度,等等)。在建筑领域,空间储蓄的首要原因是使用超绝热。典型的例子包括阳台的旁边可到达的屋顶阳台建筑,内部绝缘 改造建设解决方案，以及正面绝缘对历史建筑的改造。一个数字外的其他绝缘利基市场服装部门等保温、航天、 石油化工管道和泵送液体媒体 工业应用以及低温过程。

2 高性能绝缘材料或超绝热: 概念和实例

2.1 定义和材料分类

到目前为止我们已经为市场和建立定义 应用超绝热产品。但是,也许 关键问题还没有解决这远:如何 作为一个超绝热材料或组件进行分类，最简单的方法来定义两个同义词“超绝热” 或“高性能绝缘”是通过 导热系数k(lambda;)下测量标准 (环境)条件。热导率是一个内在的材料属性和定义的热流通过板材料的面积和厚度d 有效温差DT作用于两个 表面。k的单位是(Wm-1 k - 1)。金属非常好的热导体的k值数十到数百Wm-1 k - 1范围。玻璃、沙子和矿物质在单一典型的热导率数字Wm-1 k - 1范围。聚合物、塑料和有机的材料范围的趋近Wm-1 k - 1政权。典型的 热绝缘体(概述,请参阅表1) 相关产品展览k值低于0.1 Wm-1 k - 1.表1中概述的性能 基于他们的常见的绝缘材料 各自的k值:传统的绝缘材料用红色突出显示有典型lambda-values秩序 0.030 - -0.040 Wm-1 k - 1。几个术语的定义超绝热是常用的。误导, 而毫无意义的一个是基于总传热系数或u的值定义良好的隔热层 (单个工件或元素)。它只是指一个厚高总热阻层。这是当然 贫穷的定义,因为没有相关的 材料绝缘性能(单位厚度)。它坚持更有意义而不是阻力特定一个工件。可能是最常见的，材料定义，马克的增殖系数粘度值0.025 Wm-1 k - 1)。高性能绝缘泡沫聚氨酯或酚类等树脂定义常规和之间的过渡区超绝热产品(见表1)。在我们看来是这样今天更有意义的超绝热设置限制 材料0.020 Wm-1 k - 1,我们的定义要坚持从这里后的主要原因这个选择的限制是它限制使用这个词 真正的高级绝缘材料和解决方案本质上有别于传统的泡沫塑料和纤维产品。我们提出这个术语的定义是同义的用最先进的技术和/或材料。 根据这一定义,superinsulators集团 以青绿色突出显示在表1只包含 三种产品:气凝胶、真空绝缘板 (VIP)和真空玻璃(VG)。他们将会讨论 更详细的研究

真空隔热板和真空玻璃是很好的热阻,因为多孔芯材料或玻璃腔导致大幅减少气体的热传输分子。

真空隔热板年龄随着时间的推移。随着疏散元素内部的压力上升,因为信封渗透率,那么 热导率的核心材料。等效电导率的值30年岁贵宾强烈依赖于产品和材料 使用,一般在0.007 - -0.012 Wm-1 k - 1的顺序

真空玻璃的性能(在等效热导率)决定从典型U-values 0.5 - -0.3 Wm-2的顺序 k - 1和疏散的厚度差距(d = 0.3hellip;1.0毫米)没有考虑到厚度的玻璃窗格

从典型的k值确定U-values(0.5hellip;0.3 Wm-2 k - 1)和总厚度d #39; = 10hellip;16毫米的考虑。

低导热系数是相关的 这些材料的孔隙结构。之前 短暂的回忆独特的结构特性的影响 气凝胶的热传输,我们概括的 潜在的传热机制。一般来说,热转移通过传导、对流和辐射。在 多孔材料有五个可能的贡献 总传热,即:

低密度(通常Superinsulating二氧化硅气凝胶 在0.08 - -0.2范围gcm-3)纳米固体的 孔隙度(90%,典型的中孔直径之间的4 和20海里。这些间隙孔可以加起来超过了90% 的总孔隙体积。气凝胶欠他们的极低低密度和热导率小毛孔。换句话说,有效的小孔 限制传导和对流气体运输，另一方面意味着固体密度网络 精致的只提供有限的传导通路 尽管它。几个研究小组研究了热 气凝胶材料的绝缘方面详细的 该领域的主要贡献来自于群 Fricke,赖兴瑙,Weinlauml;der巴伐利亚中 应用能源研究ZAE(见[7],21章)。在 下面,让我们简要地概括了传热 气凝胶的途径。一方面,由孔隙流体即空气对流 多孔材料中已经明显减少 测微孔隙的大小(如聚合物泡沫绝缘材料) 只有传导和辐射依然存在。因为然而,小孔隙尺寸导电传热 孔隙流体,在这种情况下空气,等于不再的 自由气体但遵循努森公式[10],因此 结果在一个有效的气体导电的贡献总热导率远低于自由气体。 这个条件满足时,气体的平均自由程分子是英孚，同时传导和辐射的问题平行板之间的制定，积分微分方程只能解决数字[11]。为半透明灰色等材料，气凝胶基于概念的解析解，提出了有效发射率[12]。

流体与转移传统的泡沫绝缘材料和视情况而定强烈的密度(或更准确的网络连接密度直接相关)。 通过固体网络通常是辐射传热被忽视但有时可以代表气凝胶的总热导率。这贡献 非常依赖于温度和可以成为 主要在高温和超低密度气凝胶。在环境条件下,导电(声子) 通过散装固体骨架是传热，主要贡献为介孔气凝胶的生密度(200公斤m3。它的大小取决于 纳米结构以及体积密度。一个表达式在固体热传导ksolid是已知的 动力传输理论,其中c是单位体积比热容的吗 Jm-3K-1,平均自由程和v的速度下标表示电子(e)和声子(ph) 的贡献。电绝缘体,如二氧化硅 电子项情商。1可以被忽视,这样传导 主要是由于声子。声子的传播 在固体骨架是由网络曲折 作为传导的通路。对二氧化硅气凝胶组成二氧化硅粒子一般在3 - 7纳米尺寸范围,;8:32 等。[13]

最具有商业相关超绝热二氧化硅气凝胶 密度80至200kg/m3。他们的导热系数值是由传导，通过固体二氧化硅粒子网络密度很高和辐射和传导气体的组合通过毛孔内的空气密度。

它是有必要找到最低的导热材，最佳贡献这两个类型之间。它似乎表观气凝胶小密度已建立本身作为 在讨论中的热传输中央参数 这些材料的性能。请注意，为明晰起见和我们根据我们的讨论只是在房间的简单温度热导率值。他们是相关的环境应用程序,由建筑保温, 是主要的代表分享世界绝缘的市场。由于超绝热越来越感兴趣产品，我们还应当提供的简要描述，其他两个疏散超绝热系统补充即真空绝缘面板和真空玻璃完成图片。

2.2压力依赖性的导热系数k

被疏散的想法实现superinsulating属性 一个容器,从而限制气体热传输 不是一个新概念:第一个杜瓦瓶,一个 疏散玻璃瓶,是詹姆斯·杜瓦先生发明的 100多年前。玻璃内的空间 4插座是撤离到打败Pa(10 - 6托) 为了消除气体对流和传导。的 内部玻璃表面涂红外反射金属薄膜,降低了辐射热交换。一个很快就意识到,在一个船撤离的情况下, 高质量的真空是控制气体热量所必需的。然而,如果一个多孔材料被放置 内部和撤离,传热气体分子 已经有效地抑制在更高的压力 (真空质量水平较低)。在多孔固体,气体 传热是由数密度 (压力)作为传输介质以及气体分子 “墙”的数量或固体骨架连接 通路之间冷热两侧。在较高的压力, 气体分子的平均自由程小得多 毛孔的大小。

这意味着碰撞(动量转移)气体粒子之间的限制 总传热。在大气条件下,这是适用于大多数传统多孔隔热材料。如果 一个被疏散,现在降低气体压力 气体导电率仍然或多或少不变,直到 气体分子的平均自由程达到值 就是订单上的毛孔的大小的固体。在这一点上,沟通或通过气体换热 因为碰撞的分子明显下降 孔壁。这意味着一个疏散固体小 足够的毛孔可以成为superinsulating材料。

对于标准的应用程序,即在接近环境温度, 气态传导通常是最大的贡献者 整体热传输。不过,当 创造完美的superinsulating材料或组件, 通过批量材料需要办理 最小化,这是同义词 高孔隙度(要求和理想的本质 低固体体积电导率)的疏散。在一个类似的 方式,辐射传输需要考虑。图3显示了压力上的孔隙大小的影响 依赖的有效导热系数。的 黑色虚线表示标记“站空气”热 电导率的纯空气在给定压力没有服用 考虑对流,即空气的情况 保持静止和气流诱导热传输 可以忽略不计。一个标准的聚合物泡沫(蓝色曲线)绝缘 挤塑聚苯乙烯等材料(XPS)典型 孔隙尺寸在几十到几百微米的范围内。 介孔材料,如气凝胶或气相法白炭黑(红色 分别和绿色曲线)提供孔隙大小的子 100纳米范围。会发现,随着孔隙大小, 真空必须被推到一个较低的压力消除 气相传导的贡献对整个热 导电性。气凝胶,气相法白炭黑 的例子中,k和p曲线达到最小值 大约30 hPa(mbar)。一个显著的XPS发泡 大毛孔需要疏散到压力 hPa低于0.1。在缺乏多孔固体(如例子的腔内真空中空玻璃),真空 低于三分hPa必须完全 消除气相热传递 后者尤其相关在升高的温度下。 介绍了疏散超绝热的基础知识后,让 我们简要地放大和最典型的两个系统 他们的应用程序:真空绝缘板(vip)和 真空玻璃(VG)

2.3疏散超绝热系统

真空中空玻璃 由两个玻璃窗格由一个非常薄的分开 (0.2 - -0.8毫米)差距,由一个完全封闭的 边缘密封。腔压力的* 10 - 1 - 10

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