真空絕熱板（VIP）具有10 倍于傳統(tǒng)絕熱材料的優(yōu)異絕熱性能。對(duì)VIP 有效導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了分析，表明影響VIP 絕熱性能主要是固體導(dǎo)熱和輻射傳熱，而氣體導(dǎo)熱和對(duì)流換熱可忽略不計(jì)。影響VIP 整體絕熱性能的因素主要有溫度、氣體壓力、含濕率、芯材密度及芯材顆粒度等參數(shù)。

1、引言

　　真空絕熱板（VIP）是近年來快速發(fā)展起來的一種新型絕熱材料，它是利用真空絕熱原理并采取各種措施以盡量消除或弱化板內(nèi)的熱量傳遞，使其漏熱降低到最小，因而具有10 倍于傳統(tǒng)絕熱材料的優(yōu)異絕熱性能。相比于傳統(tǒng)的聚氨酯泡沫或玻璃纖維等絕熱材料，真空絕熱板在其生產(chǎn)和應(yīng)用過程中，不使用消耗臭氧層物質(zhì)（Ozone Depleting Substances），而且導(dǎo)熱系數(shù)可以達(dá)到3~4 mW/m·K，其熱阻相當(dāng)于普通絕熱材料的10 倍甚至更高，而其厚度僅為普通絕熱材料的1/7，具有環(huán)保和節(jié)能的雙重優(yōu)點(diǎn)。圖1 為VIP 與普通絕熱材料熱阻比較柱狀圖，從圖中可以看出VIP 具有很大的絕熱優(yōu)勢(shì)。圖2 為相同熱阻的VIP 與傳統(tǒng)絕熱材料的比較，其厚度相差10 倍以上，因而對(duì)于絕熱空間要求較為嚴(yán)格的應(yīng)用領(lǐng)域（如冰箱和冷凍行業(yè)），VIP 得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。

　　VIP 不僅是一種新型絕熱材料，而且又是具有復(fù)雜性和敏感性的一個(gè)真空絕熱系統(tǒng)。圖3 所示為1×10⁵Pa、20 ℃下不同芯材導(dǎo)熱系數(shù)隨氣體壓力變化情況。由圖3 可以看出，不同芯材隨板內(nèi)氣體壓上升表現(xiàn)出的導(dǎo)熱系數(shù)變化差異較大，對(duì)于氣體壓力變化的“敏感度”也不盡相同。相比之下，氣相二氧化硅（fumedsilica）則表現(xiàn)出較大的“遲鈍性”，因而更適宜于作為VIP 芯材使用。當(dāng)然，除了芯材材料對(duì)氣體壓力的敏感程度外，還要充分考慮芯材材料的制作工藝、價(jià)格等因素，這樣才能有效降低VIP 的成本，使其得到大面積推廣和應(yīng)用。

圖1 VIP與普通絕熱材料熱阻比較　　圖2 相同熱阻的VIP 和傳統(tǒng)絕熱材料的比較　　圖3 1×10⁵ Pa、20℃下不同芯材導(dǎo)熱系數(shù)隨氣體壓力的變化

2、VIP絕熱原理

　　一般情況下，靜止空氣所能達(dá)到的最低導(dǎo)熱系數(shù)為0.026 W/m·K。為了開發(fā)更為有效的絕熱材料，人們采取了很多方法。有的是替換材料中的充填氣體，有的是在材料中增加輻射吸收劑或散射劑，有些甚至是將材料內(nèi)的充填氣體直接抽空，即所謂真空絕熱。采取這些措施的目的都是為了降低傳熱，當(dāng)氣體分子的平均自由程大于芯材的孔徑時(shí)即可防止氣體熱傳導(dǎo)的發(fā)生。為了滿足這種條件，一方面要采取減少分子數(shù)目以降低碰撞頻率的方法來增大氣體分子的平均自由程，另一方面則需要盡量減小芯材的孔徑。前者可以借助于抽空的方法，后者則需要采用孔徑極其微小的多孔介質(zhì)材料，因此開發(fā)出了微米/納米量級(jí)的絕熱材料，如超細(xì)玻璃纖維、氣相二氧化硅及硅氣凝膠等。2 種方法結(jié)合的結(jié)果使得絕熱效果的發(fā)揮達(dá)到了極致，VIP 的出現(xiàn)正是結(jié)合了2 種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)所在，因而在絕熱效果上表現(xiàn)超常的優(yōu)異性能。圖4、圖5 分別為2 種常用VIP芯材的掃描電鏡（SEM）照片。從圖中可以看出，氣相二氧化硅相比超細(xì)玻璃纖維具有更小的微孔尺度，達(dá)到納米量級(jí)，其絕熱性能具有更大的優(yōu)勢(shì)和潛力。

圖4 氣相二氧化硅SEM照片　　圖5 超細(xì)玻璃纖維SEM照片

　　從結(jié)構(gòu)上講，VIP 主要由芯材和阻氣層組成，同時(shí)可根據(jù)芯材種類及應(yīng)用環(huán)境確定是否需要添加吸氣劑。對(duì)于絕熱材料而言，有效導(dǎo)熱系數(shù)是用來衡量其絕熱性能優(yōu)劣的重要參數(shù)，它是反映物質(zhì)傳導(dǎo)熱能力的重要性質(zhì)參數(shù)。芯材一般選用多孔介質(zhì)材料，如超細(xì)玻璃纖維、沉積硅、聚氨酯（PU）泡沫、聚苯乙烯（PS）泡沫等，其內(nèi)部傳熱機(jī)理非常復(fù)雜，不僅涉及到固體與氣體的熱傳導(dǎo)，還涉及到相互間的對(duì)流換熱及芯材多孔結(jié)構(gòu)中輻射換熱。

3、VIP有效導(dǎo)熱系數(shù)構(gòu)成及分析

　　由于多種傳熱方式的存在，必須保證VIP 板內(nèi)氣體導(dǎo)熱系數(shù)λG、固體導(dǎo)熱系數(shù)λS 和輻射等效導(dǎo)熱系數(shù)λR 最小，同時(shí)還需考慮對(duì)流等效導(dǎo)熱系數(shù)λC。因此VIP 板的有效導(dǎo)熱系數(shù)λeff（忽略邊緣效應(yīng)及阻氣層的影響）可用式（1）表示

　　式中λeff 為VIP 板有效導(dǎo)熱系數(shù)；λG 為氣體導(dǎo)熱系數(shù)；λS 為固體導(dǎo)熱系數(shù)；λG 為對(duì)流等效導(dǎo)熱系數(shù)；λR 為輻射等效導(dǎo)熱系數(shù)。下面對(duì)式（1）各項(xiàng)分別進(jìn)行分析。

3.1、氣體導(dǎo)熱

　　氣體導(dǎo)熱系數(shù)的變化隨壓力增加而呈“S”形變化，其大小主要取決于氣體分子間的碰撞頻度。多孔材料的氣體導(dǎo)熱系數(shù)一般可用Kaganer 模型表達(dá)如

　　式中λG0 為T=300 K 時(shí)的自由靜態(tài)空氣的氣體導(dǎo)熱系數(shù)，即λG0=0.026 W/m·K；對(duì)于空氣而言，β=1.6；Kn 為克努曾數(shù)，其定義式為Kn=l/Φ（其中l(wèi) 為氣體分子在該壓力下的平均自由程，Φ 為多孔絕熱材料的平均孔徑）； p1/2 為當(dāng)氣體導(dǎo)熱系數(shù)變?yōu)閜1/2/2 時(shí)所對(duì)應(yīng)的氣體壓力值。根據(jù)式（2），可得空氣的p1/2 計(jì)算表達(dá)式如下