【康沃真空網(wǎng)】供熱和制冷需求占社會總能源消耗的很大一部分。僅在建筑領域，供暖和制冷就占了超過全球建筑能源終端使用的30%。能源消耗的罪魁禍首是與環(huán)境的熱交換。將墻壁和屋頂改造成隔熱結構將大大減少建筑與環(huán)境之間的熱交換。傳統(tǒng)的隔熱材料不能滿足這一目標，因為空氣在孔隙內(nèi)存在氣態(tài)導熱。對于多孔隔熱材料，通過抽離空氣，使空氣平均自由程大于孔徑，可以大大抑制氣體的熱傳導。然而，這些面板不能在現(xiàn)場切割，因為面板上的任何損壞都會導致真空損失，從而降低隔熱性能。
基于此，斯坦福大學崔屹教授團隊設計了一種兼具超高保溫性能(即長期導熱系數(shù)小于0.007 W/m-K)和傳統(tǒng)保溫材料安裝便利性的超保溫材料VIA。傳統(tǒng)的真空隔熱板只有一個外殼保護真空，容易損壞(圖1A)。該設計的關鍵是一個密封結構，它將內(nèi)部空間分隔成一系列真空室，每個真空室都由單獨的與外殼密封在一起的阻隔膜保護(圖1B)。任何損傷造成的真空損失都會被限制在一個局部區(qū)域內(nèi)，材料的大部分區(qū)域仍然處于真空狀態(tài)。因此，材料可以切割和重新組裝，而不會失去其整體隔熱性能。
圖1 傳統(tǒng)真空隔熱材料和作者設計的VIA
VIA的設計與制備
作者比通過不同材料的氧滲透性對其氣體阻隔性能和熱導率進行評估。由于尼龍和乙烯-乙烯醇(EVOH)的熱導率和氧滲透性都很低，因此選擇它們作為阻隔膜的主要材料。聚合物作為阻隔膜會導致氣體泄漏，在一定時間內(nèi)能夠觀察到熱導率的變化。以PE(對照組)為阻隔膜，2 h內(nèi)，熱導率迅速上升至0.006W/m-K以上，因為空氣很容易滲透PE。相比之下，尼龍阻隔膜的導熱系數(shù)在2周后仍低于0.006 W/m-K，EVOH阻隔膜的導熱系數(shù)在近1個月都保持在0.006 W/m-K以下。制造這種真空陣列結構的關鍵是要確保包膜和阻隔膜之間的密封。密封層(Sealing layer)通常由熱塑性聚合物制成，其在較高溫度下的相互擴散可以形成牢固的鍵。多孔芯材料首先由氣體阻隔膜覆蓋，密封層朝外，然后由包膜(Envelope)包裹。包膜內(nèi)測還具有密封層，該密封層必須與氣體阻隔膜的密封層兼容。接下來，將空氣從材料中抽走，包膜在真空下密封在一起。最后，整個結構被壓在熱板之間，溫度略高于密封層的熔點。熱壓5 s時，PE的互擴散不夠充分，邊界清晰可見。增加到1分鐘后，兩層密封層已經(jīng)連接在一起，沒有明顯的邊界。
圖2 VIA的設計和制備
VIA的隔熱和抗損傷性能
材料完整時，3×3平方VIA的導熱系數(shù)約為0.005 ~ 0.006 W/m-K。當一個角落的真空室被刺穿后，只有受損區(qū)域的熱導率顯著增加，不受切割直接影響的區(qū)域仍然保持低導熱性。刺穿后，以尼龍用作氣體阻隔材料時，1個月內(nèi)的導熱系數(shù)保持在0.006 W/m-K為以下，2個月后略有上升。以EVOH為阻隔膜的VIA在長達2個月的時間內(nèi)熱導率沒有明顯的變化，1年后，其熱導率也僅為為0.007 W/m-k。同時，這種VIA設計適用于不同的芯材，包括氣凝膠復合材料、壓粉板(氣相硅膠)、纖維材料(玻璃纖維、礦棉、纖維素)和泡沫等。在100次彎曲后，方形VIA的熱導率仍然很低，并且不受穿刺損傷的影響。損傷回彈性和機械彎曲試驗表明，VIA具有與常規(guī)絕隔熱料相似的安裝便利性和適應性，同時隔熱性能是常規(guī)隔熱材料的4倍。
圖3 VIA的隔熱和抗損傷性能
VIA在交通和建筑領域的應用
最后，以交通和建筑行業(yè)為例，作者研究了VIA作為超保溫材料的節(jié)能潛力。在冷鏈行業(yè)，一個重大的挑戰(zhàn)是在運輸過程中保持低溫，特別是當所需的溫度極低時。在這種情況下，隔熱變得尤為重要。作者建造了一個用相同厚度的隔熱材料包裹的儲物箱。作者將材料用鋁箔包裹進一步降低輻射換熱，并加入相變材料(冰或干冰)來模擬熱質(zhì)量。與傳統(tǒng)泡沫隔熱材料相比，VIA可使0 ℃的儲存時間延長約3倍。將80~60 ℃設置為存儲溫度，VIA 將儲存時間提升約60%，較傳統(tǒng)材料有顯著改善。
如果將VIA添加到現(xiàn)有的建筑圍護結構中以增加隔熱效果，建筑領域也可以實現(xiàn)顯著的節(jié)能。圖4G為溫度保持在設定值時的閣樓溫度。對于標準房屋模型，閣樓溫度明顯低于設定值。在墻體和屋頂引入2厘米厚的VIA保溫材料，閣樓平均溫度為上升到15 ℃左右，溫度波動也大大減少。如果在墻體和屋面添加2厘米厚的VIA，每年可以減少30%-70%的供暖能耗和約10%-25%的冷卻能耗。
圖4 VIA在交通和建筑領域的應用
小結：作者設計并制備了一種兼具傳統(tǒng)保溫材料安裝方便與真空保溫板超高保溫性能的超保溫結構。這種設計使隔熱材料可以被戳破、切割、彎曲、組裝而不失去其隔熱性能。后期可以通過添加阻燃劑來提高其阻燃性能，在實際應用中滿足國際標準要求，有助于提高能效，降低能耗和二氧化碳排放。
