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VIP 有效導熱系數(shù)進行了分析，表明影響VIP 絕熱性能主要是固體導熱和輻射傳熱，而氣體導熱和對流換熱可忽略不計。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），而且導熱系數(shù)可以達到3~4 mW/m·K，其熱阻相當于普通絕熱材料的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。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。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，因而對于絕熱空間要求較為嚴格的應(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，而且又是具有復雜性和敏感性的一個真空絕熱系統(tǒng)。圖3 所示為1×10⁵Pa、20 ℃下不同芯材導熱系數(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)出的導熱系數(shù)變化差異較大，對于氣體壓力變化的“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。當然，除了芯材材料對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，靜止空氣所能達到的最低導熱系數(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，當氣體分子的平均自由程大于芯材的孔徑時即可防止氣體熱傳導的發(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/納米量級的絕熱材料，如超細玻璃纖維、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)揮達到了極致，VIP 的出現(xiàn)正是結(jié)合了2 種技術(shù)的優(yōu)勢所在，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玻璃纖維具有更小的微孔尺度，達到納米量級，其絕熱性能具有更大的優(yōu)勢和潛力。

圖4 氣相二氧化硅SEM照片　　圖5 超細玻璃纖維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。對于絕熱材料而言，有效導熱系數(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)部傳熱機理非常復雜，不僅涉及到固體與氣體的熱傳導，還涉及到相互間的對流換熱及芯材多孔結(jié)構(gòu)中輻射換熱。

3、VIP有效導熱系數(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)氣體導熱系數(shù)λG、固體導熱系數(shù)λS 和輻射等效導熱系數(shù)λR 最小，同時還需考慮對流等效導熱系數(shù)λC。因此VIP 板的有效導熱系數(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 板有效導熱系數(shù)；λG 為氣體導熱系數(shù)；λS 為固體導熱系數(shù)；λG 為對流等效導熱系數(shù)；λR 為輻射等效導熱系數(shù)。下面對式（1）各項分別進行分析。

3.1、氣體導熱

　　氣體導熱系數(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。多孔材料的氣體導熱系數(shù)一般可用Kaganer 模型表達如

　　式中λG0 為T=300 K 時的自由靜態(tài)空氣的氣體導熱系數(shù)，即λG0=0.026 W/m·K；對于空氣而言，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 為當氣體導熱系數(shù)變?yōu)閜1/2/2 時所對應(yīng)的氣體壓力值。根據(jù)式（2），可得空氣的p1/2 計算表達式如下