真空絕熱板（VIP）具有10 倍于傳統絕熱材料的優異絕熱性能。對VIP 有效導熱系數進行了分析，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。

1、引言

　　真空絕熱板（VIP）是近年來快速發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的熱量傳遞，使其漏熱降低到最小，因而具有10 倍于傳統絕熱材料的優異絕熱性能。相比于傳統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和應用過程中，不使用消耗臭氧層物質（Ozone Depleting Substances），而且導熱系數可以達到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，具有環保和節能的雙重優點。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 具有很大的絕熱優勢。圖2 為相同熱阻的VIP 與傳統絕熱材料的比較，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用領域（如冰箱和冷凍行業），VIP 得到了廣泛的發展和應用。

　　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。圖3 所示為1×10⁵Pa、20 ℃下不同芯材導熱系數隨氣體壓力變化情況。由圖3 可以看出，不同芯材隨板內氣體壓上升表現出的導熱系數變化差異較大，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 和傳統絕熱材料的比較　　圖3 1×10⁵ Pa、20℃下不同芯材導熱系數隨氣體壓力的變化

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為0.026 W/m·K。為了開發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生。為了滿足這種條件，一方面要采取減少分子數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材料，因此開發出了微米/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 種方法結合的結果使得絕熱效果的發揮達到了極致，VIP 的出現正是結合了2 種技術的優勢所在，因而在絕熱效果上表現超常的優異性能。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

　　從結構上講，VIP 主要由芯材和阻氣層組成，同時可根據芯材種類及應用環境確定是否需要添加吸氣劑。對于絕熱材料而言，有效導熱系數是用來衡量其絕熱性能優劣的重要參數，它是反映物質傳導熱能力的重要性質參數。芯材一般選用多孔介質材料，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構中輻射換熱。

3、VIP有效導熱系數構成及分析

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

　　式中λeff 為VIP 板有效導熱系數；λG 為氣體導熱系數；λS 為固體導熱系數；λG 為對流等效導熱系數；λR 為輻射等效導熱系數。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一般可用Kaganer 模型表達如

　　式中λG0 為T=300 K 時的自由靜態空氣的氣體導熱系數，即λG0=0.026 W/m·K；對于空氣而言，β=1.6；Kn 為克努曾數，其定義式為Kn=l/Φ（其中l 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 為當氣體導熱系數變為p1/2/2 時所對應的氣體壓力值。根據式（2），可得空氣的p1/2 計算表達式如下