网络上,经常有人发文宣传:气凝胶是迄今为止高温隔热性能最好的保温材料,是终极隔热材料,是保温隔热中的王者材料,等等。
确实,气凝胶材料的绝热性能十分优秀,但上述说法并非正确,且存在明显的事实错误。
首先,广义上的气凝胶材料分为纯气凝胶材料和气凝胶复合材料两大类,这两者并非同一类材料,在物化性能上存在较大的差异。按不同的化学成分或组分多少,纯气凝胶材料可分为有机、无机、金属和复合四类,或分为单组份和多组分两个大类,每个大类又分为很多不同的材料种类(如氧化硅、氧化铝、全碳、聚酰亚胺、氧化硅杂化氧化铝等等);而气凝胶复合材料又可分为纤维复合类气凝胶和其它复合类气凝胶两大类,还可以按耐受温度的高低、制备技术等多个标准进行分类,不一而足。
气凝胶的制备密度越低,则技术含量越高,且导热系数越小。但目前,所有的纯气凝胶材料均为实验室制备的制品,只能用于科研和极其有限的航天军工领域,尚不合适转向工业批量生产,也就无法满足工业和建筑市场的大批量需求。这是因为:第一,纯气凝胶制备成本非常高,远未到市场可以接受的程度;第二,纯气凝胶制备的材料尺寸规格十分有限(多为小块状、球状和颗粒状),不具有可适用保温隔热或其它功能领域的实用性;第三,目前制备研究最多的是无机纯气凝胶(如氧化硅和氧化铝等),但易脆性太大(有机类、金属类及其它杂化类除外),需要复合纤维增强材料,否则无法直接使用。
目前实验室制备工艺最成熟、经济成本较低的是二氧化硅气凝胶。如果密度足够低,单组份纯氧化硅气凝胶的常温导热系数可低至0.010W/m.K,但氧化硅本身并无反高温热辐射的能力(热辐射与物体温度的四次方成正比),所以其高温下的导热系数还是偏高的。
市场上已经大规模产业化生产的并非纯氧化硅气凝胶,而是二氧化硅纤维复合保温隔热材料。氧化硅玻纤增强型复合隔热材料的长期耐温不超过550℃,短时最高耐温约650-660℃,也有少数企业生产陶瓷纤维增强的气凝胶复合绝热材料,长期耐温可达到800℃。
国内产业规模化生产的氧化硅气凝胶复合材料,其常温导热系数实际上大大高于部分企业所宣称的0.012-0.015W/m.K。市场上,各厂家氧化硅气凝胶复合材料的导热系数范围大致如下:
—— 0.018-0.024W/m.K@25℃(多数企业在0.020-0.023,如ASPEN公司)
—— 0.022-0.026W/m.K@100℃
—— 0.028-0.032W/m.K@200℃
—— 0.035-0.040W/m.K@300℃
—— 0.046-0.052W/m.K@400℃
—— 0.064-0.070W/m.K@500℃
—— 0.089-0.110W/m.K@600℃
从上述数据可看出,氧化硅纤维复合隔热材料的导热系数确实比普通材料低很多,但其常温导热系数仍无法与导热系数更低一个数量级的真空绝热材料(0.003-0.006W/m.K@25-70℃)相提并论。
市场上还存在着另一种超级高温隔热材料,常常被气凝胶的“声音”所淹没,即:微纳隔热材料产品(Microporous Insulation,也称微孔纳米隔热材料),其采用更为安全的物理制备法生产,导热系数大致如下:
—— 0.022W/m.K@100℃
—— 0.023W/m.K@200℃
—— 0.025W/m.K@400℃
—— 0.028W/m.K@600℃
—— 0.032W/m.K@800℃
上述微纳隔热材料和气凝胶复合隔热材料在100℃及更低温度时的导热系数相差无几,但高温导热系数却仅为后者(陶瓷纤维复合气凝胶)的1/2~1/4(@400℃-800℃)!即,微纳绝热材料的高温隔热性能是气凝胶复合材料的二至四倍!!请点击了解:什么是微纳绝热材料?
因此,说气凝胶是迄今为止隔热性能最好的终极保温材料,那显然不仅是有失偏颇,而且明显与事实不符!很可能误导了不少企业客户。
国内气凝胶复合绝热材料的科研进展十分迅速。有学者曾制备出一种碳氧化硅复合气凝胶材料,其高温导热系数虽在400-600℃较高,但更高温度下导热系数与上述微纳绝热材料相当(0.032W/m.K@800℃,0.043W/m.K@1000℃)。如果能产业化大规模生产,且成本适中,那么,这种复合气凝胶材料将成为微纳隔热材料的有力竞争者。