纳米隔热材料的概念和分类(什么是纳米绝热材料?)

关于纳米隔热(绝热)材料的概念或定义


纳米隔热材料是指通过纳米技术设计和制造的、具有超级隔热性能的材料。这些材料利用纳米尺度(通常为1到100纳米)下的独特物理、化学和结构特性,能够显著降低热传导、对流和辐射的传热速度,从而实现超级高效的隔热效果。纳米隔热材料不仅具有很低的导热系数,往往还具备轻薄、耐久等优点。


纳米隔热材料的范畴其实较广,也有很多种分类方法,其中较为常见的分类方法有如下五种。


1)按材料的结构及其隔热机理分类


纳米纤维绝热材料:由直径在纳米级别的纤维组成,如微纳陶瓷纤维等。纳米纤维的高比表面积和低密度使其具有优异的隔热性能。


气凝胶复合绝热材料(Aerogel Composite Insulation,纳奇保温材料):基于二氧化硅、氧化铝等气凝胶制备技术,通过复合其他材料(如纤维、颗粒)增强其机械强度和耐久性。气凝胶复合材料具有极低的导热系数,常用于中低温管道和罐体等设备。


微孔纳米隔热材料(Microporous Insulation,微纳绝热材料):含有大量的纳米级孔隙,传热路径被极大地延长,内部孔隙小于空气分子的自由行程,能有效抑制固相传热和对流传热,另添加有高效的反热辐射材料,从而拥有与气凝胶复合材料相当的常温导热系数,以及极低的高温导热系数(高温绝热性能是后者的2~4倍),是极为卓越的高温绝热材料,非常适用于工业高温绝热被动防火隔热以及高温电器等新兴制造领域。


真空纳米绝热材料(VIP的一种):以微纳绝热材料作为芯材,外部包裹气密屏障膜,内部空气被抽空后形成真空绝热板(VIP)。和以玻纤作为芯材的VIP材料不同,这类VIP绝热材料不仅具有极低的导热系数,而且即使真空度消失,其常温绝热性能仍可媲美气凝胶复合隔热材料,主要用于对温度控制极严格的冷链运输箱等高端需求领域。


其他纳米复合绝热材料:结合多种隔热机制,如纳米纤维、纳米孔、纳米中空纤维等,尚未有成熟的产品报道,但不乏科研人员正为之而孜孜探索。


2)按纳米隔热材料的制备方法分类


化学制备法纳米绝热材料:气凝胶复合材料(Aerogel composite insulation,通过溶胶-凝胶法、超临界干燥等化学工艺制备,常见于二氧化硅、氧化铝等气凝胶材料)、纳米纤维绝热材料(通过电纺丝、溶液吹纺等技术制备,形成纳米级纤维结构)以及纳米中空隔热材料(通过模板法、自组装等技术制备,形成中空结构的纳米颗粒或纤维)等等。


物理制备法纳米绝热材料:微孔纳米绝热材料(Microporous Insulation,通过物理配料和机械混合等方法制备,形成纳米多孔结构,国内常称为“纳米微孔隔热材料”)、纳米VIP保温材料(通过物理搅拌、真空封装等技术制备,形成真空绝热板VIP)以及特殊用途的纳米隔热制品(比如航空航天等领域的高性能复合隔热材料)。


混合制备法纳米绝热材料:如气凝胶隔热涂料(将化学制备的气凝胶粉体与树脂、溶剂等进行物理混合,制成可喷涂或涂刷的隔热涂料),以及处于材料前沿的其它纳米复合绝热材料(结合化学和物理制备方法,开发出具有多种隔热机制的复合绝热材料,如气凝胶与纤维复合、纳米孔与中空纤维复合等)。


3)按材料制品是否具有固定形态或形状分类


定形纳米隔热材料:指那些具有固定形态的纳米隔热材料制品,如板材、卷材、异形件等。这类材料在安装和使用时具有固定的几何形状,适用于建筑、工业设备等领域。


不定形纳米隔热材料:指没有固定形态的纳米隔热材料,如纳米隔热涂料、纳米绝热粉体等。这类材料适合用于填充隔热、喷涂施工等场合,灵活性高,适应性较强。


4)按纳米绝热材料的具体形态分类


纳米纺织保温布料:将纳米纤维或纳米颗粒融入纺织品中,制成具有隔热保温功能的布料,适用于服装、帐篷等领域。


硬质纳米隔热板材:如真空绝热板(VIP)、气凝胶板材等,适用于冷链运输、建筑及工业等领域。


柔性纳米隔热卷材:如气凝胶复合卷毡、微纳柔性绝热毯、纳米纤维毡等,具有良好的柔韧性和可弯曲性,适用于管道、罐体及其它复杂形状的保温隔热。


柔性纳米隔热板材:如微纳柔性绝热板等,兼具一定的强度和百叶式可弯曲的包裹特性,适用于工业管道、罐体及其它高温设备。


柔性纳米隔热片材:如气凝胶复合隔热片、微孔纳米隔热片等,适用于局部隔热需求场合。


柔性纳米隔热带及绳:如纳米隔热带、纳米绝热盘根等,适用于狭长或线状结构的密封绝热。


模压纳米隔热管壳:通过模压成型的高性能隔热管壳,适用于高效保温节能的工业高温管道系统。


异形纳米隔热件:通过钻、铣、切、压等二次加工工序制成的具特定形状的隔热件,适用于特定产品和特殊设备的局部保温隔热。


按化学组成,纳米绝热材料还可以分为有机纳米绝热材料、无机纳米绝热材料、复合纳米绝热材料等三大类。可参考《化学组成成分是材料分类方法的主要依据之一》。


纳米绝热材料凭借其独特的纳米级结构和优异的隔热性能,成为现代热管理技术的重要组成部分。通过合理的分类和选择,可以针对不同应用场景提供最合适的解决方案,优化能源效率,降低成本,并提升各类系统和产品的性能。未来,随着制备技术和应用研究的不断进步,纳米隔热材料将更加多元化发展,并为全球实现节能低碳目标发挥重要作用。

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