目前低溫儲(chǔ)運(yùn)裝備的超級(jí)絕熱方式，圍繞絕熱方式的不足，引入了一種非常有前景的超級(jí)新型絕熱材料-氣凝膠的概念，并介紹了氣凝膠的發(fā)展歷史，及氣凝膠的獨(dú)特的絕熱性能，輕質(zhì)量，無(wú)放氣性，以及適應(yīng)各種復(fù)雜形狀的靈活使用性，同時(shí)對(duì)氣凝膠的缺點(diǎn)和改進(jìn)方法，在低溫絕熱領(lǐng)域的應(yīng)用，以及展望了研究熱點(diǎn)。

1、引言

　　世界經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，極大促進(jìn)了低溫工業(yè)氣體如LO2、LN2、LAR、LNG等的需求，同時(shí)也極大地促進(jìn)了這些低溫介質(zhì)的運(yùn)輸，由于低溫介質(zhì)的獲得需要耗費(fèi)很多的能量，對(duì)于綠色環(huán)保節(jié)能的大需求，低溫運(yùn)輸裝備的絕熱性能就變得非常重要。

2、低溫真空絕熱方式

　　低溫絕熱材料主要有纖維形狀、微孔形狀、層狀結(jié)構(gòu)以及納米微孔等結(jié)構(gòu)。目前典型的低溫運(yùn)輸裝備如低溫罐箱、低溫罐車均采用較多的為高真空多層絕熱，保溫性能較好，表1列出了幾種典型的絕熱真空絕熱方式優(yōu)缺點(diǎn):

　　由于目前真空絕熱中，具有的“難于對(duì)復(fù)雜形狀絕熱，存在平行方向的導(dǎo)熱，真空度要求高，絕熱材料本身有放氣”這些缺點(diǎn)，對(duì)于目前低溫儲(chǔ)運(yùn)裝備領(lǐng)域的絕熱性能，真空度的維持都有一定的影響，需要尋找另一種更加好的低溫絕熱材料。氣凝膠作為一種優(yōu)秀的絕熱材料，成為研究方向。

表1 幾種典型的真空絕熱方式優(yōu)缺點(diǎn)

3、氣凝膠及特性

　　工業(yè)和低溫應(yīng)用對(duì)隔熱材料提出了諸多要求。必須易于應(yīng)用，在寬溫度范圍內(nèi)提供出色的絕熱性能，并且在惡劣的環(huán)境條件下不隨時(shí)間而劣化。

　　氣凝膠是由膠體粒子或高聚物分子相互聚結(jié)構(gòu)成納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并在孔隙中充滿氣態(tài)分散介質(zhì)的一種高分散輕質(zhì)固體材料，因其半透的色彩和超輕重量，有時(shí)也被稱為“固態(tài)煙”或“凍住的煙”(如圖1所示)，作為世界上最輕的固體，其99%的組成成分是氣體，這使得氣凝膠呈云霧狀，外觀看起來(lái)像云一樣。

圖1 云霧狀的氣凝膠

　　被稱為“改變世界的神奇材料”的氣凝膠，是世界上最輕的固體材料之一。最常見(jiàn)的氣凝膠為SiO2氣凝膠。SiO2氣凝膠是一種防熱隔熱性能非常優(yōu)秀的輕質(zhì)納米多孔非晶固體材料，其孔隙率高達(dá)80%～99.8%，孔洞的典型尺寸為1～100nm，比表面積為200～1000m2/g，而密度可低至3kg/m3，比空氣重三倍。具體氣凝膠用于低溫儲(chǔ)運(yùn)裝備上的一些優(yōu)異性能。

　　3.1、高隔熱性

　　由于氣凝膠中大量細(xì)小氣孔的尺寸處于納米級(jí)，小于空氣分子70mm的平均自由程，所以氣凝膠復(fù)合材料具有極低的導(dǎo)熱系數(shù)，可達(dá)到0.013～0.016W/(m·K)，低于靜態(tài)空氣0.024W/(m·K)的熱導(dǎo)系數(shù)，由于氣凝膠的導(dǎo)熱性是傳統(tǒng)材料(例如聚氨酯泡沫、礦棉、珍珠巖和泡沫玻璃)的1/2～1/4，因此，可在同樣的厚度和明顯減少的隔熱用料下提供更高的熱效率，比相應(yīng)的無(wú)機(jī)絕緣材料低2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。高溫下不分解，無(wú)有害氣體放出，屬于綠色環(huán)保型材料。SiO2氣凝膠與各種耐熱纖維復(fù)合后，可制成各種形式的保溫材料。

　　美國(guó)的Science雜志把氣凝膠列為十大熱門科學(xué)之一。雖然，氣凝膠的主要成分是空氣，但其具有優(yōu)異的絕熱性能，用噴槍在一層薄薄的氣凝膠下加熱都不能使氣凝膠上面的火柴點(diǎn)燃。一塊2.54cm厚的氣凝膠就擁有每?jī)蓪娱g具有氣室的15塊玻璃板疊層的絕熱能力。

　　3.2、耐久性

　　由無(wú)定形無(wú)機(jī)二氧化硅制成，不含像聚氨酯泡沫一樣會(huì)隨時(shí)間降解的發(fā)泡劑，因此氣凝膠的性能持久而穩(wěn)定。其彈性機(jī)械性能使其可容易地適應(yīng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)，而不會(huì)像珍珠巖般沉降。卡博特氣凝膠是完全疏水的，不像許多隔熱材料會(huì)吸收水分。

　　3.3、易用性

　　氣凝膠的柔韌性特別好，非常易于為不同形狀的絕熱結(jié)構(gòu)提供定制的產(chǎn)品，如顆粒狀(如圖2所示)，片狀(如圖3所示)，被子狀等。其中顆粒尤其適用于松散填充應(yīng)用，甚至可填充復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)(如雙壁罐)中以及配件和閥門周圍的小空穴，片狀適合于在現(xiàn)場(chǎng)切割、收卷和成形，并以最少的產(chǎn)塵用于安裝到管道、儲(chǔ)罐和其他設(shè)備上，被狀則可以為管道系統(tǒng)中的快速安裝而設(shè)計(jì)。此外氣凝膠的折射率、聲阻抗都很低，吸附性能極其優(yōu)良;正是由于這些特點(diǎn)使氣凝膠材料在熱學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、微電子、粒子探測(cè)方面有很廣闊的應(yīng)用潛力和前景。重關(guān)注其在低溫隔熱上的應(yīng)用。

7、凝膠產(chǎn)品在低溫絕熱上的應(yīng)用

　　7.1、太空服

　　氣凝膠正用來(lái)為人類首次登陸火星時(shí)所穿的太空服研制一種保溫隔熱襯里。AspenAerogel公司的一位資深科學(xué)家馬克·克拉耶夫斯基認(rèn)為，一層18mm的氣凝膠將足以保護(hù)宇航員抵御-130℃的低溫，可見(jiàn)他是最棒的絕熱材料。

　　7.2、航天器放熱瓦，燃料箱隔熱層

　　飛機(jī)上記錄飛行狀況數(shù)據(jù)的黑匣子已用新型氣凝膠產(chǎn)品作為隔熱層，美國(guó)美洲豹戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)艙隔熱層采用的也是該材料，美國(guó)NASA在火星流浪者的設(shè)計(jì)中，也用過(guò)SiO2氣凝膠材料作為保溫層，用來(lái)抵擋火星夜晚-100℃以下的超低溫。美國(guó)NASAAmes研究中心研發(fā)的硅酸鋁耐火纖維/SiO2氣凝膠復(fù)合絕熱瓦已用于航天飛機(jī)，俄羅斯的“和平號(hào)”空間站也采用了SiO2氣凝膠作為隔熱保溫材料。

　　7.3、LNG海底低溫管道

　　由于LNG海底低溫管道的特殊性，目前更多的意見(jiàn)是傾向于采用氣凝膠材料絕熱層和9%鎳鋼降低了內(nèi)層管壁。這種材料的絕熱性能遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)絕熱材料，因此達(dá)到要求的絕熱性能所需要的材料用量較少，相應(yīng)降低了絕熱層的厚度和外層管壁的直徑，降低了管道成本。這種材料具有防水的特性，不會(huì)因?yàn)樗�分的降解而降低絕熱性能，但是這種材料價(jià)格較高。

　　7.4、LNG船

　　美國(guó)的卡博特公司(Cabot)正在研究，利用氣凝膠來(lái)建造LNG船，而對(duì)于LNG船的氣體儲(chǔ)藏庫(kù)來(lái)說(shuō)，如果能夠使用氣凝膠，那么不但具有很好的絕熱效果，同時(shí)也能大量縮減儲(chǔ)藏庫(kù)的體積。

8、展望

　　總體來(lái)說(shuō)，氣凝膠具有質(zhì)量輕、低絕熱性、防水性，易于成型等特色已經(jīng)成為低溫絕熱領(lǐng)域的一個(gè)新的熱點(diǎn)，在軍用低溫領(lǐng)域已經(jīng)獲得了成功的使用，目前在民用領(lǐng)域也在越來(lái)越重視其應(yīng)用研究，降低制備成本，優(yōu)化超臨界干燥工藝，制造高品質(zhì)氣凝膠等都成為今后各國(guó)科學(xué)家共同努力突破的關(guān)鍵。期待氣凝膠能在低溫罐箱、低溫儲(chǔ)罐、低溫罐車的真空絕熱材料選擇上取代目前使用的多層絕熱材料，獲得廣泛的應(yīng)用并提升低溫裝備的性能。