供熱和制冷需求占社會(huì)總能源消耗的很大一部分。僅在建筑領(lǐng)域，供暖和制冷就占了超過(guò)全球建筑能源終端使用的30%。能源消耗的罪魁禍?zhǔn)资桥c環(huán)境的熱交換。將墻壁和屋頂改造成隔熱結(jié)構(gòu)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(biāo)，因?yàn)榭諝庠诳紫秲?nèi)存在氣態(tài)導(dǎo)熱。對(duì)于多孔隔熱材料，通過(guò)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(dǎo)。然而，這些面板不能在現(xiàn)場(chǎng)切割，因?yàn)槊姘迳系娜魏螕p壞都會(huì)導(dǎo)致真空損失，從而降低隔熱性能。

　　基于此，斯坦福大學(xué)崔屹教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種兼具超高保溫性能(即長(zhǎng)期導(dǎo)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(gè)外殼保護(hù)真空，容易損壞(圖1A)。該設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是一個(gè)密封結(jié)構(gòu)，它將內(nèi)部空間分隔成一系列真空室，每個(gè)真空室都由單獨(dú)的與外殼密封在一起的阻隔膜保護(hù)(圖1B)。任何損傷造成的真空損失都會(huì)被限制在一個(gè)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(huì)失去其整體隔熱性能。

圖1 傳統(tǒng)真空隔熱材料和作者設(shè)計(jì)的VIA

　　VIA的設(shè)計(jì)與制備

　　作者比通過(guò)不同材料的氧滲透性對(duì)其氣體阻隔性能和熱導(dǎo)率進(jìn)行評(píng)估。由于尼龍和乙烯-乙烯醇(EVOH)的熱導(dǎo)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(huì)導(dǎo)致氣體泄漏，在一定時(shí)間內(nèi)能夠觀察到熱導(dǎo)率的變化。以PE(對(duì)照組)為阻隔膜，2 h內(nèi)，熱導(dǎo)率迅速上升至0.006W/m-K以上，因?yàn)榭諝夂苋菀诐B透PE。相比之下，尼龍阻隔膜的導(dǎo)熱系數(shù)在2周后仍低于0.006 W/m-K，EVOH阻隔膜的導(dǎo)熱系數(shù)在近1個(gè)月都保持在0.006 W/m-K以下。制造這種真空陣列結(jié)構(gòu)的關(guān)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(kuò)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(cè)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(lái)，將空氣從材料中抽走，包膜在真空下密封在一起。最后，整個(gè)結(jié)構(gòu)被壓在熱板之間，溫度略高于密封層的熔點(diǎn)。熱壓5 s時(shí)，PE的互擴(kuò)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(méi)有明顯的邊界。

圖2 VIA的設(shè)計(jì)和制備

　　VIA的隔熱和抗損傷性能

　　材料完整時(shí)，3×3平方VIA的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.005 ~ 0.006 W/m-K。當(dāng)一個(gè)角落的真空室被刺穿后，只有受損區(qū)域的熱導(dǎo)率顯著增加，不受切割直接影響的區(qū)域仍然保持低導(dǎo)熱性。刺穿后，以尼龍用作氣體阻隔材料時(shí)，1個(gè)月內(nèi)的導(dǎo)熱系數(shù)保持在0.006 W/m-K為以下，2個(gè)月后略有上升。以EVOH為阻隔膜的VIA在長(zhǎng)達(dá)2個(gè)月的時(shí)間內(nèi)熱導(dǎo)率沒(méi)有明顯的變化，1年后，其熱導(dǎo)率也僅為為0.007 W/m-k。同時(shí)，這種VIA設(shè)計(jì)適用于不同的芯材，包括氣凝膠復(fù)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(dǎo)率仍然很低，并且不受穿刺損傷的影響。損傷回彈性和機(jī)械彎曲試驗(yàn)表明，VIA具有與常規(guī)絕隔熱料相似的安裝便利性和適應(yīng)性，同時(shí)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(lǐng)域的應(yīng)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(gè)重大的挑戰(zhàn)是在運(yùn)輸過(guò)程中保持低溫，特別是當(dāng)所需的溫度極低時(shí)。在這種情況下，隔熱變得尤為重要。作者建造了一個(gè)用相同厚度的隔熱材料包裹的儲(chǔ)物箱。作者將材料用鋁箔包裹進(jìn)一步降低輻射換熱，并加入相變材料(冰或干冰)來(lái)模擬熱質(zhì)量。與傳統(tǒng)泡沫隔熱材料相比，VIA可使0 ℃的儲(chǔ)存時(shí)間延長(zhǎng)約3倍。將80~60 ℃設(shè)置為存儲(chǔ)溫度，VIA 將儲(chǔ)存時(shí)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(hù)結(jié)構(gòu)中以增加隔熱效果，建筑領(lǐng)域也可以實(shí)現(xiàn)顯著的節(jié)能。圖4G為溫度保持在設(shè)定值時(shí)的閣樓溫度。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)房屋模型，閣樓溫度明顯低于設(shè)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(dòng)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(lǐng)域的應(yīng)用

　　小結(jié)：作者設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)。這種設(shè)計(jì)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(guò)添加阻燃劑來(lái)提高其阻燃性能，在實(shí)際應(yīng)用中滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求，有助于提高能效，降低能耗和二氧化碳排放。