孔，无处不在，我们身边几乎所有的物品都有孔隙存在。有些孔的存在是有利的，比如植物的枝干，多孔可以使其轻量化，能生长得更高；而有些孔是材料缺陷，是必须在生产过程中杜绝的，比如金属铸件的砂眼。有些孔是与生俱来的，有些孔却是为实现某功能性而人为创造的，例如，我们会在材料成形过程中通过造孔来使材料实现轻量化、具备保温绝热性能等。
绝热材料是典型的多孔型的材料。热量的传递形式分传导（固体间的传热）、对流（流体间的传热）以及辐射（依靠电磁波辐射的非接触式传热）。传导和对流需要热量由高温区向低温区传递，而这种传递需要不同温度间的介质相互接触，属于有条件的传热；而辐射是根据材料特性和温度，通过不同频率的电磁波（一般是红外线）不间断向四周释放能量，即使是处于真空状态依然可以实现辐射，是一种无条件的传热方式。因此，要控制热量传递的快慢，主要通过对材料结构进行设计，以此控制传导和对流两种传热形式。绝热材料的研究方向正是在于降低材料骨架的传导性能以及抑制材料空隙内介质的对流。
图中为三种热量传递形式示意图
绝热材料可以通过减少传热接触面积和增长热传递路径来抑制热传导；而限制热对流则相对复杂，需要通过减少流体间分子的接触、控制分子的运动，以降低热量的碰撞交换和接触扩散。这可以通过利用纤维架构成型多孔材料或发泡造孔的方式，将对流换热的介质进行小范围分隔和运动限制。同时，搭织和造孔能够形成气体的传热“孤岛”，对抑制热传递具有显著效果。常温下，静止空气的导热系数为 0.025W/(m·K)。因此，人们通常认为静止的空气是一种接近真空的理想绝热介质。
有人认为材料孔隙率越高绝热效果越好，有的则认为材料密度大一些才能更好地限制热的传递。而研究材料绝热性能涉及到需要系统研究材料的传导、对流特性。材料整体的绝热性能不仅与骨架传热效率有关，还主要取决于材料孔洞的形态特征。这些特征包括孔隙率（孔隙体积与材料自然体积的百分比）、孔容量（单位质量材料中孔的体积）、比表面积（单位质量物料展开后的总面积）、开闭孔比率、平均孔径和孔分布状态等。对这些因素的深入研究，也推动了科研人员利用高分子聚合与纳米技术对材料进行有针对性的设计。
目前，人为制造绝热材料主要有两种宏观方式：纤维的搭织造腔和发泡造孔。纤维的搭接和编织需要注意纤维的单丝直径、长度和成品的密度，纤维间的孔隙中会填充满空气，而空气的对流程度与孔径大小密切相关，孔径越细小，空气对流越弱，保温绝热性能越好。玻璃棉、岩棉和硅酸铝纤维绝热制品是最常见的纤维搭织造腔材料。发泡造孔最初通过分散球状微粒（如中空或真空的玻化微珠或塑料微珠）来实现。随着发泡技术的发展进步，发泡剂能够将气泡均匀地生成在材料中，从而实现造孔。通过控制发泡剂用量和发泡技术，可以使材料内部的孔彼此独立或相互联通，这就是发泡的闭孔或开孔控制。有些材料则采用部分闭孔与部分开孔的结合方式。例如，橡塑和泡沫玻璃属于闭孔绝热材料，三聚氰胺泡棉属于开孔绝热材料。
图中是常见的纤维绝热制品和发泡绝热制品
作为发泡造孔型绝热材料，闭孔与开孔的设计各有优劣。理论上，闭孔绝热材料能更有效地限制对流换热，因此绝热性能更优异。然而，常见的闭孔材料中，支撑骨架的固体物质含量往往显著高于开孔材料，这导致其骨架的热传导更为剧烈。此外，对于闭孔材料，若其固体支撑骨架为有机物，其传热效率会比无机物骨架低得多。所以，绝热材料的性能需要根据骨架材料特性和发泡情况具体设计，找到骨架传导和孔隙对流的平衡点。
自20世纪末以来，纳米技术的兴起推动了绝热材料的发展，新材料的纳米制备技术也取得了突飞猛进的发展。水热合成、溶胶-凝胶法、气相沉积、微乳液法、离子溅射等纳米制备技术可将材料的合成调控准确到原子级别。同时，先进的光学扫描电镜技术使材料中“孔” 的度量尺度可精确至纳米级。基于材料的平均孔径，又可进一步对材料进行分类：孔径小于2 nm的为微孔材料，孔径在2-50 nm间的为介孔材料，孔径大于50 nm的则为大孔材料。
纳米绝热材料的“孔”设计成多大为好呢？孔气体分子相邻两次碰撞之间的平均距离被称为分子的平均自由程，当气体分子间的距离小于平均自由程则分子间无法碰撞进行对流换热；通常，空气分子的平均自由程为69 nm，当我们设计的材料的孔径小于空气的自由行程，这种材料能锁住空气分子、抑制分子对流，是非常理想的绝热材料结构。
气凝胶是一种具有纳米多孔网络结构的超轻固体材料，其孔隙率通常高达80%-99.8%，密度可低至0.001 g/cm3（仅为空气密度的3倍）。其独特的三维纳米骨架结构赋予其超低热导率（0.013-0.025 W/(m·K)）、高比表面积（500-1200 m2/g）及优异的力学-功能协同特性。气凝胶制备使用三维溶胶微观单体直径为3-5 nm、通过溶胶-凝胶法，结合一定的干燥方式使气体取代凝胶中的液相，最终形成一种平均孔径在50nm左右的纳米级固体材料。【行业相关】第九届中国绝热节能材料行业科技创新大会暨“第五届气凝胶材料国际学术研讨会”的通知
二氧化硅气凝胶结构示意图
基材增强型二氧化硅纳米孔气凝胶复合绝热卷毡是最常用、最高效的气凝胶制品，但市场上还存在很多打着低成本的“蹭热度”的制品，严重扰乱气凝胶绝热材料的推广应用，提醒大家在选择气凝胶制品时一定要小心一下几点：
首先，不是所有宣传的纳米材料都是真正的纳米级材料，也不是运用了纳米制备技术制备出的产品都是纳米材料。纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸(1~100 nm)或由它们作为基本单元构成的材料；判断是不是纳米材料，要看构成材料的基本粒子是否在纳米级或产品在至少一个维度的度量标准达到纳米级。一些号称纳米绝热毡的制品，纤维的单丝直径和搭接支撑的空腔平均直径都是毫米级的，一些号称纳米涂料的涂层最小遮盖厚度都在几十微米，这些纤维和涂料产品准确的说都算不得纳米材料。
其次，气凝胶制品是一种绝热性能优异的介孔材料，但不是宣称是“介孔”材料的绝热制品都具备低导热系数的特性。毕竟先进的纳米气凝胶的制备工艺技术和产品性能不是单一的“介孔”就能完全涵盖的。
再有，不是所有加入气凝胶的绝热制品都有优异的绝热效果。绝热材料的效果不仅与材料自身的绝热属性有关，还与应用的方式方法有密切关联。在一些“炒概念”的产品中，气凝胶的整体添加量极其微量，不会使得导热系数有大幅下降；即使导热系数降低了，也需要达到绝热节能必要的热阻抗，安装方案、工法、辅料等都会影响保温节能的效果。
综合上述的内容，绝热材料是研究如何让空气“静止”、减缓热量散失的技术流派，具体的绝热节能效果是需要科学计量和评测的。在国家高质量发展和“双碳”战略目标的指引下，中国绝热节能材料协会将不断征集优秀的绝热节能案例，推广高效的绝热节能技术，依托先进的绝热材料，不断拓展应用领域，打造更清洁高效的生产生活。
来源：中国绝热节能材料协会气凝胶分会 毕鉴挺
【协会近期相关活动】
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编辑 | 鞠丽 审核 | 杨静、刘亚丹
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