目前低溫儲運裝備的超級絕熱方式，圍繞絕熱方式的不足，引入了一種非常有前景的超級新型絕熱材料-氣凝膠的概念，并介紹了氣凝膠的發展歷史，及氣凝膠的獨特的絕熱性能，輕質量，無放氣性，以及適應各種復雜形狀的靈活使用性，同時對氣凝膠的缺點和改進方法，在低溫絕熱領域的應用，以及展望了研究熱點。

1、引言

　　世界經濟的迅猛發展，極大促進了低溫工業氣體如LO2、LN2、LAR、LNG等的需求，同時也極大地促進了這些低溫介質的運輸，由于低溫介質的獲得需要耗費很多的能量，對于綠色環保節能的大需求，低溫運輸裝備的絕熱性能就變得非常重要。

2、低溫真空絕熱方式

　　低溫絕熱材料主要有纖維形狀、微孔形狀、層狀結構以及納米微孔等結構。目前典型的低溫運輸裝備如低溫罐箱、低溫罐車均采用較多的為高真空多層絕熱，保溫性能較好，表1列出了幾種典型的絕熱真空絕熱方式優缺點:

　　由于目前真空絕熱中，具有的“難于對復雜形狀絕熱，存在平行方向的導熱，真空度要求高，絕熱材料本身有放氣”這些缺點，對于目前低溫儲運裝備領域的絕熱性能，真空度的維持都有一定的影響，需要尋找另一種更加好的低溫絕熱材料。氣凝膠作為一種優秀的絕熱材料，成為研究方向。

表1 幾種典型的真空絕熱方式優缺點

3、氣凝膠及特性

　　工業和低溫應用對隔熱材料提出了諸多要求。必須易于應用，在寬溫度范圍內提供出色的絕熱性能，并且在惡劣的環境條件下不隨時間而劣化。

　　氣凝膠是由膠體粒子或高聚物分子相互聚結構成納米多孔網絡結構，并在孔隙中充滿氣態分散介質的一種高分散輕質固體材料，因其半透的色彩和超輕重量，有時也被稱為“固態煙”或“凍住的煙”(如圖1所示)，作為世界上最輕的固體，其99%的組成成分是氣體，這使得氣凝膠呈云霧狀，外觀看起來像云一樣。

圖1 云霧狀的氣凝膠

　　被稱為“改變世界的神奇材料”的氣凝膠，是世界上最輕的固體材料之一。最常見的氣凝膠為SiO2氣凝膠。SiO2氣凝膠是一種防熱隔熱性能非常優秀的輕質納米多孔非晶固體材料，其孔隙率高達80%～99.8%，孔洞的典型尺寸為1～100nm，比表面積為200～1000m2/g，而密度可低至3kg/m3，比空氣重三倍。具體氣凝膠用于低溫儲運裝備上的一些優異性能。

　　3.1、高隔熱性

　　由于氣凝膠中大量細小氣孔的尺寸處于納米級，小于空氣分子70mm的平均自由程，所以氣凝膠復合材料具有極低的導熱系數，可達到0.013～0.016W/(m·K)，低于靜態空氣0.024W/(m·K)的熱導系數，由于氣凝膠的導熱性是傳統材料(例如聚氨酯泡沫、礦棉、珍珠巖和泡沫玻璃)的1/2～1/4，因此，可在同樣的厚度和明顯減少的隔熱用料下提供更高的熱效率，比相應的無機絕緣材料低2～3個數量級。高溫下不分解，無有害氣體放出，屬于綠色環保型材料。SiO2氣凝膠與各種耐熱纖維復合后，可制成各種形式的保溫材料。

　　美國的Science雜志把氣凝膠列為十大熱門科學之一。雖然，氣凝膠的主要成分是空氣，但其具有優異的絕熱性能，用噴槍在一層薄薄的氣凝膠下加熱都不能使氣凝膠上面的火柴點燃。一塊2.54cm厚的氣凝膠就擁有每兩層間具有氣室的15塊玻璃板疊層的絕熱能力。

　　3.2、耐久性

　　由無定形無機二氧化硅制成，不含像聚氨酯泡沫一樣會隨時間降解的發泡劑，因此氣凝膠的性能持久而穩定。其彈性機械性能使其可容易地適應機械運動和振動，而不會像珍珠巖般沉降。卡博特氣凝膠是完全疏水的，不像許多隔熱材料會吸收水分。

　　3.3、易用性

　　氣凝膠的柔韌性特別好，非常易于為不同形狀的絕熱結構提供定制的產品，如顆粒狀(如圖2所示)，片狀(如圖3所示)，被子狀等。其中顆粒尤其適用于松散填充應用，甚至可填充復雜幾何結構(如雙壁罐)中以及配件和閥門周圍的小空穴，片狀適合于在現場切割、收卷和成形，并以最少的產塵用于安裝到管道、儲罐和其他設備上，被狀則可以為管道系統中的快速安裝而設計。此外氣凝膠的折射率、聲阻抗都很低，吸附性能極其優良;正是由于這些特點使氣凝膠材料在熱學、聲學、光學、微電子、粒子探測方面有很廣闊的應用潛力和前景。重關注其在低溫隔熱上的應用。

7、凝膠產品在低溫絕熱上的應用

　　7.1、太空服

　　氣凝膠正用來為人類首次登陸火星時所穿的太空服研制一種保溫隔熱襯里。AspenAerogel公司的一位資深科學家馬克·克拉耶夫斯基認為，一層18mm的氣凝膠將足以保護宇航員抵御-130℃的低溫，可見他是最棒的絕熱材料。

　　7.2、航天器放熱瓦，燃料箱隔熱層

　　飛機上記錄飛行狀況數據的黑匣子已用新型氣凝膠產品作為隔熱層，美國美洲豹戰斗機的機艙隔熱層采用的也是該材料，美國NASA在火星流浪者的設計中，也用過SiO2氣凝膠材料作為保溫層，用來抵擋火星夜晚-100℃以下的超低溫。美國NASAAmes研究中心研發的硅酸鋁耐火纖維/SiO2氣凝膠復合絕熱瓦已用于航天飛機，俄羅斯的“和平號”空間站也采用了SiO2氣凝膠作為隔熱保溫材料。

　　7.3、LNG海底低溫管道

　　由于LNG海底低溫管道的特殊性，目前更多的意見是傾向于采用氣凝膠材料絕熱層和9%鎳鋼降低了內層管壁。這種材料的絕熱性能遠高于傳統絕熱材料，因此達到要求的絕熱性能所需要的材料用量較少，相應降低了絕熱層的厚度和外層管壁的直徑，降低了管道成本。這種材料具有防水的特性，不會因為水分的降解而降低絕熱性能，但是這種材料價格較高。

　　7.4、LNG船

　　美國的卡博特公司(Cabot)正在研究，利用氣凝膠來建造LNG船，而對于LNG船的氣體儲藏庫來說，如果能夠使用氣凝膠，那么不但具有很好的絕熱效果，同時也能大量縮減儲藏庫的體積。

8、展望

　　總體來說，氣凝膠具有質量輕、低絕熱性、防水性，易于成型等特色已經成為低溫絕熱領域的一個新的熱點，在軍用低溫領域已經獲得了成功的使用，目前在民用領域也在越來越重視其應用研究，降低制備成本，優化超臨界干燥工藝，制造高品質氣凝膠等都成為今后各國科學家共同努力突破的關鍵。期待氣凝膠能在低溫罐箱、低溫儲罐、低溫罐車的真空絕熱材料選擇上取代目前使用的多層絕熱材料，獲得廣泛的應用并提升低溫裝備的性能。