真空绝热板研究现状及其在建筑领域的应用
孟闯*，阚安康，郭志鹏，张驰，杨铎
（上海海事大学商船学院，上海 201306）
摘要: 真空绝热板（VIP ）作为一种高性能的热阻隔材料，随着其性能和制作工艺不断地优化和完善，已经开始越来越多地应用在建筑领域。文章主要介绍了真空绝热板的基本概念，结构构成以及绝热机理，并对国内真空绝热板的研究现状进行了总结，分析了芯材，隔气结构，吸气剂的主要研究进展及生产情况。同时对真空绝热板的热导率，使用寿命，热桥效应等进行了界定，论述了真空绝热板在建筑领域的研究现状和注意事项，并对其目前存在的主要问题进行了分析，提出了相应的解决方案。
关键词：真空绝热技术；导热系数；使用寿命；建筑保温
The research status of Vacuum Insulation Panel and its application in the field of
architecture
Meng Chuang* ,Kan Ankang,Guo Zhipeng,Zhang Chi
(Shanghai Maritime University, Shanghai, 201306)
Abstract : As a high-performance thermal barrier material,Vacuum insulation panel (VIP) has been increasingly applied in the field of architecture，with its performance and production technology constantly optimizing and perfect.The paper mainly introduces the basic concept of vacuum insulation panel, structure composition and insulation mechanism, and summarizes research status of domestic vacuum insulation panel , analyzes the core material, gas insulation structure and the main research progress of getter.The thermal conductivity and service life of vacuum insulation panels has also been carried on the determination.Furthermore ,this paper discusses the vacuum insulation panel research present situation and the matters needing attention in the field of construction, analyzing the existing main problems and puts forward the corresponding solutions.
Key words :Vacuum insulation technology; Thermal conductivity; Service life; Building insulation
0引言
在能源问题和环境问题日益突出的二十一世纪，节能减排已成为当前世界各国的主要任务。目前能量的供给来源主要是煤，石油，天然气等化石能源，这势必会加大二氧化碳等温室气体的排放，污染环境。建筑物的供热和制冷每年都需要大量的能量，建筑能耗占社会总能耗大约有百分之四十，所以降低建筑能耗是最具潜力的一个努力方向。改进建筑物围护结构的保温措施，提升围护结构的隔热性能是降低建筑能耗的主要方法。真空绝热板在建筑物外墙围护结构上的应用将会在很大程度上缓解建筑能耗的问题。 真空绝热板作为目前高效的隔热保温环保材料将会在未来各个保温隔热领域发挥着不可替代的作用，基金项目：上海市自然基金（No.15ZR1419900）
*孟闯(1991- )，男，硕士研究生。研究方向：真空绝热技术。
通讯作者：阚安康，男，山东省济宁市人，高级工程师。
联系地址：上海市浦东新区临港新城海港大道 1550号，邮编：201306。
Email ：[email protected]。
尤其是在建筑领域的应用。真空绝热板是目前世界上最为先进的隔热保温材料。真空绝热板有极低的导热系数，与传统的绝热材料相比，在保温效果要求相同时有保温层厚度薄、体积小、重量轻和制作过程环保无污染等优点。随着对真空绝热板的不断优化和其成本的不断降低，在未来几年真空绝热板将有很大的市场需求。本文章主要对真空绝热板概念，绝热机理及其结构组成做了详细地介绍，并在此基础上对真空绝热板的热导率和使用寿命做了界定，同时论述了其在建筑领域的使用现状及存在的问题。最后总结了真空绝热板在应用过程中的注意事项并为读者介绍了一种可降阶反气体渗透的新型真空绝热板。
1. 真空绝热板基本概念及结构组成
1.1真空绝热板概述
真空绝热板（VIP ）是一种新型的保温隔热材料，由多孔芯材，吸气剂和阻气膜三部分复合而成的一种新型的保温材料（如图1）。多孔介质是尽可能多地降低真空绝热板的热传导，阻气膜是保证所创造的真空环境，以最大限度地降低由气体造成的热传导和对流换热，吸气剂是为了吸收外界渗入真空绝热板内部和芯材释放的气体和水蒸气，从而降低对流换热和气体导热，持续地保持真空绝热板的真空度，来维持相对低的导热系数同时可以延长真空绝热板的使用寿命。
图1 VIP结构原理图（左）及其实物图（右）[1] Fig.1 Principle and Practicality diagram of VIP structure [1]
经过真空绝热板的热量的传递是由热传导，对流传热和辐射传热三种方式组合而成。真空绝热板就是基于这种理论尽最大的可能来阻止这三种形式的热量传递。目前我们认为真空绝热板中的热量传递包括芯材固体导热，板内气体导热，辐射传热以及对流传热四部分组成。对应的可以用下面的公式表示：
λtot =λsol +λgas +λrad +λconv +λcoup [2]
其中λsol 是固体导热系数，λgas 是气体导热系数，λgas 是辐射导热系数，λconv 是对流导热系数，λcoup 是耦合导热系数。也就说真空绝热板的总的热导率是大于前四项热导率之和，这是由前几种换热方式之间相互影响的结果。但是考虑到耦合导热系数非常小，常常可以忽略不计。我们的目的就是通过不断降低各
部分的热导率，使得真空绝热板的总导热系数达到一个最低值。
1.2芯材
1.2.1芯材的作用及要求
芯材作为真空绝热板的重要组成部分，一般是选用多孔芯材，以最大可能地增加真空绝热板的导热热阻，其作用可以概括成以下三点[3]。
1. 用于支撑真空绝热板的壁面，以避免在抽完真空的状态下封闭的阻气膜收缩，塌瘪。
2. 控制气体热传导及对流传热，芯板可以在某种程度上限制参与在VIP 中的一些气体分子的运动空间，从而阻止气体对流和气体热传导两种传热方式。
3. 红外遮蔽及散射作用，高真空度条件下，辐射传热也是热量传递的主要形式之一，此时VIP 芯材需要能够起到对红外热辐射进行吸收、散射的作用。
对应于VIP 芯材的作用，为能满足真空绝热板芯材的条件，芯材需要满足以下特定的要求[2][4]。
1. 多孔芯材的孔径必须足够小，这样在相对高的抽气压力下就能满足真空绝热板的真空度，纳米多孔芯材在相对高的压力环境下就能就能使得真空绝热板的导热系数满足要求。图2就显示了不同芯材导热系数随内部真空度的变化的关系。从图中我们可以看到在板内气体压力超过100 Pa时，真空绝热板的导热系数会急剧上升。
2. 芯材的孔必须是开放的同时能起到好的支撑作用，这样才能使气体更容易地抽出来，以尽可能多地降低VIP 的制作成本。
3. 芯材要能有效地阻止红外辐射，以降低传热过程中的辐射传热。
图2 不同多孔介质热导率随内部真空度的变化[3]
Fig. 2 Thermal conductivity of VIPs with different types of core materials under the action of air
pressure
作为真空绝热材料的多孔介质芯材一直都是国内外学者关注的热点。一般被选作芯材的材料应具有开孔率高、孔隙特征尺寸小、有一定耐压强度和防红外辐射性能、热导率低等特点。但某一种芯材是不能满足上面所有的要求，它们都有各自的优缺点。
陈照峰[3]等人将现在VIP 芯材分为颗粒型芯材，泡沫型芯材和纤维型芯材，并分别介绍了各类芯材的优缺点。颗粒型芯材真空绝热板耐压强度高、导热系数相对较大，成本高，制作过程难以控制；泡沫型芯材真空绝热板成型工艺简单，密度低，孔径小，导热系数较低，老化性能差；纤维型芯材真空绝热板导热
系数低，结构稳定性差，一般在常温下使用。下面就目前市场上常见的芯材做一个介绍。
1.2.2. 气相二氧化硅
气象二氧化硅为白色微细粉末，无毒，不可燃，可循环利用，原子粒径在7～40纳米, 不会对环境造成污染而且气象二氧化硅芯材本身可作为干燥剂来吸收透过阻气膜进入VIP 中的水蒸气，所以目前在建筑上应用的真空绝热板的芯材大多是气象二氧化硅。通常气相二氧化硅的质量密度大概是200 kg/m3，导热系数在20-100 mbar 的压力下能达到3-6 m W/(m·K) [5]。但作为颗粒型芯材气象二氧化硅也有其固有的缺点，如制作成本较高，抽气过程难以控制，对红外辐射遮蔽作用较差等。图3为气象二氧化硅实物图和以气象二氧化硅为芯材的真空绝热板。
图3 气象二氧化硅实物图和气象二氧化硅真空绝热板
Fig.3 Practicality diagram of fumed silica and VIP with the core of fumed silica
1.2.3. 聚氨酯泡沫 聚氨酯（PUR ）泡沫是以异氰酸酯和聚醚为主要原料，在发泡剂、催化剂、阻燃剂等多种助剂的作用下，通过专用设备混合，经高压喷涂现场发泡而成的高分子聚合物。 聚氨酯泡有软泡和硬泡两种。软泡为开孔结构，硬泡为闭孔结构。其导热系数低，仅0.022～0.033 W/（m.K ），而且聚氨酯有很好的机械强度和开孔结构，密度小，质量轻等优点，所以聚氨酯本身就是一种目前广泛使用的绝热材料而且和容易抽取真空而作为VIP 芯材。最初的真空绝热板的芯材就是聚氨酯泡沫[2]。但是作为泡沫型芯材聚氨酯的孔径比颗粒型芯材如气相二氧化硅要大。这就要求当与气象二氧化硅芯材的VIP 达到相同的导热系数时，聚氨酯泡沫芯材
VIP 则要求更高的真空度。而且聚氨酯泡沫芯材的真空绝热板，抽真空压力必须要保持在1 mbar以下，如果超过这个压力值，导热系数就会急剧上升[6]。这对于现在的阻气膜达不到这样的要求，所以，虽然聚氨酯泡沫芯材的VIPs 的造价不高，但是使用寿命比较短，所以现在不适合在建筑上应用[2]。图4为聚氨酯板材。
图4 聚氨酯板材
Fig.4 The panel of polyurethane
1.2.4. 玻璃纤维
玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，具有耐热性强、抗腐蚀性好，机械强度高等优点。但缺点是性脆，耐磨性较差。它是以玻璃球或废旧玻璃为原料经高温熔制、拉丝等工艺制造成的，其单丝的直径为几个微米到二十几米个微米。与上述两种芯材相比玻璃纤维芯材的真空绝热板导热系数最低[3]。但是它与聚氨酯泡沫有相同的缺点就是芯材内部间隙较大这对抽气压力的要求较高，会增加VIP 的制作成本。虽然玻璃纤维的造价相对较低，但是填有吸气剂的玻璃纤维芯材的VIP ，其使用寿命大概是15年左右[7]，相对建筑的使用寿命较短，所以以玻璃纤维为芯材的VIP 大多应用于冰箱，船舶集装箱等。玻璃纤维的可塑性也比较强，可以制成各种形状的真空绝热板。图5是上海海事大学以玻璃纤维为芯材研制的各种异形真空绝热板。异形真空绝热板的研制和发展极大地扩大了真空绝热板的应用领域。
图5以玻璃纤维为芯材的各种异形真空绝热板
Fig.5 VIPs with the core material of glass fiber
1.3吸气剂和干燥剂
随着真空绝热板长时间地使用，会有气体和水蒸气慢慢地通过阻气膜渗入到真空绝热板的芯材，同时芯材内部本身也会产生一定的气体，从而破坏了VIP 的真空度，降低其导热热阻，影响真空绝热板的使用寿命。所以一般在真空绝热板内部加入吸气剂和干燥剂，来减少和吸收在VIP 内的少量气体和水蒸气，以持续地维持板内的真空度，延长真空绝热板的使用寿命。常见的吸气剂有钡锂合金吸收氮气、氧气、二氧化碳等气体，氧化钴吸收氢气，干燥剂使用氧化钡或氧化钙来吸收水蒸气 。目前国内对吸气剂和干燥剂研发的公司有南京善工和福建赛特，其中福建赛特是对真空绝热板包括吸气剂进行自主研发和生产的公司，南京善工是一家只生产真空吸气剂的公司。图6是我国某公司自主研发的真空绝热板用TK107 吸气剂。
图6 TK107吸气剂
Fig.6 TK107 getter
TK107 系列吸气剂是氧化钙干燥剂、非蒸散型锆钒铁吸气剂以及钡锂吸气剂压入金属环内而制成的复合吸气剂，能够吸收水蒸气和各种气体包括 H 2，CO 2，O 2，N 2，CO 和有机气体，可用于冷冻冷藏用真空绝热保温板或建筑保温材料板内，能显著提高保温板的隔热效果和寿命。图7是TK107系列吸气剂的技术参数。
图7 TK107系列吸气剂的技术参数
Fig.7 Technical parameters of TK107 getter
1.4阻气膜
阻气膜的作用是维持真空绝热板的真空度，防止气体和水蒸气的渗入。选择不同的阻气膜不但会影响气体和水蒸气的渗透率，而且热封处还会对真空绝热板产生不同的热桥效应。所以说阻气膜的选择对真空绝热板的绝热性能将会有很大的影响。阚安康就阻气膜对真空绝热板热工性能及使用寿命的影响做了详细的论述[8]。江苏某包装公司制作的阻气膜其氧气透过率能小于0.005cm 3/(m2·24h ·0.1Mpa) ，水蒸气透过率可以小于0.04g/(m2·24h) 。
阻气膜多为几种材料复合而成，一般应包含阻气层、阻热层、防辐射层、热封层、保护层等[8]。阻气膜最里层是热封层，用于更好地粘合热封芯材，一般是由聚乙烯（PE-LD ）组成，中间一层是阻气层，主要是防止气体和水蒸气的渗透，这一层大多是由铝箔构成，虽然添加铝箔会加大阻气膜的热桥效应，但是为有效地防止气体的渗入，铝箔层是必不可少的。最外层是一般是由高分子聚乙烯对苯二甲酸脂（PET ）构成的保护层，主要目的是用来保护阻气膜，以防止阻气膜被刺破，增强阻气膜的耐用性。图8是现在几种常见的阻气膜的结构示意图。
图8几种典型的阻气膜结构示意图[9]
Fig.8 The Principle diagram of Al foil and multilayer foils[9]
1.5测试技术
真空绝热板作为一种高效的绝热材料，导热系数是表征其优良的一个重要的参数。准确地对VIP 导热系数进行测量不但能为生产商检验产品的合格率，更能为研究VIP 老化试验的研究人员提供可靠的实验数据。目前国内外主要采用大平板热保护法及其原理做成的测试仪器作为VIP 导热系数的测试装置，虽然准确度高但测量时间长，而且对板材的尺寸大小有一定的要求[10]。中国研制的这类测试装置主要有天津英贝儿测控设备有限责任公司研制的双平板导热系数测定仪和沈阳鑫合经纬机械电子设备有限公司研制的导热系数测定仪等[11]。
对于上述测量方式的缺陷，阚安康[10]等提出一种以双室热保护法测定真空绝热板(VIP)的导热系数为原理，设计了一套测试装置，与先前国内测试技术相比其最大优点就是对VIP 大小没有限制。另外，黄俊[11]等也对真空绝热板的测试技术有一定的研究，提出了一种基于埋入式热流计法快速测量 VIP 导热系数方案，其最大的优点是缩短了测量导热系数的用时。
1.6使用寿命及老化试验
真空绝热板在使用过程中，即使没有受到外界的机械创伤，外界气体，水蒸气会通过阻气膜及其封口渗入到板内，同时膜结构和芯材本身也会释放一定的气体，导致板内真空度降低，导热系数会随着长时间的使用而缓慢升高。但是，目前在国内对真空绝热板的使用寿命及老化试验方面的研究还比较少。温永刚
[12]参照美国ASTM C1480-01标准规定，将VIP 热导率大于0.0115 W/(m·K) 时，定义为真空绝热板老化失效，并以玻璃纤维为芯材的真空绝热板进行了老化试验并建立了分析模型，对其使用寿命进行了预测，表明VIP 在实验室标准工况下的使用寿命可以达到15年左右。同时，阚安康[13]等也通过建立VIP 使用寿命模型，结合实验验证对比分析，对真空绝热板的使用寿命做了分析研究，指出延长真空绝热板使用寿命的具体方法，提出了一种可降阶反气体渗透的真空绝热板，可以有效缓解真空绝热板的老化速率，延长真空绝热板的使用寿命。
1.7真空绝热板热桥效应研究进展及其优化措施
相对于真空绝热板的其它部位，尤其是为防止气体渗透阻气膜中添加有金属成分时，真空绝热板阻气膜热封处的热阻会很小，会引起大量的热量流失，从而形成真空绝热板的热桥效应。真空绝热板的热桥效应会降低其整体的绝热性能。目前国内对这方面研究的相对比较少，杨春光[14]等人首先分别从单个真空绝热板，组装真空绝热板间和安装过程中的真空绝热板各个方向详细地论述了能产生热桥效应的地方并在此基础上分析了影响真空绝热板热桥效应的因素和优化措施。随后阚安康[15]等也对详细地介绍了真空绝热板热桥形成机理，并通过建立了热桥效应有限元分析物理模型得出真空绝热板厚度，芯材导热系数，阻气膜厚度及导热系数对真空绝热板的热桥效应有很大的影响。随着VIP 厚度和芯材导热系数的增加，其边缘热桥效应有减小的趋势，但是阻气膜的厚度和导热系数越大其热桥效应则会越明显。
为能最大限度减小真空绝热板的热桥效应，一般在满足阻气性能的前提下，应尽量使阻气膜和金属层的厚度尽可能小。在安装和使用过程中，要避免小面积单块真空绝热板的使用，减少热封面积，另外在热封处可选用导热系数低的发泡材料进行填充。图9是一种名为Serpentine 封边设计，可以增大通过封边结构的热流路径，以减少热桥效应所形成的热流损失，但是制作工艺要求较高，会增加相应的制作成本。
图9 Serpentine封边设计
Fig.9 The Serpentine edge design of the VIP barrier
2. 建筑领域使用现状及存在的问题
2.1真空绝热板在国内建筑领域应用现状
由于真空绝热板极好的保温隔热性能，其应用领域已经从最初的冰箱，冷藏运输等逐步延伸到建筑领域。与传统的建筑用保温材料相比真空绝热板不但重量轻而且体积小，这在很大程度上能够增加建筑用户的有效使用面积。当传热系数达到0.13 W/(m2·K) 所需的隔热材料厚度，普通混凝土需要15800 mm ，聚苯乙烯泡沫300 mm ，聚氨酯泡沫192 mm ，而真空绝热板的厚度仅需30 mm [16]。杨春光[17]等分析了应用不同材料作为建筑保温层时，采用VIPs 技术可以大幅度降低能耗，30 mm 厚的VIPs ，其外墙能耗仅为31 kW ·h/（m 2·year ），而且绝热层厚度仅为普通绝热材料的 1/3 左右。图10是具有相同保温效果的各保温材料厚度对比图。这正反映了真空绝热板作为一种新型绝热材料在建筑上应用的巨大潜力。齐娇[18]等也分别对真空绝热板和聚苯乙烯泡沫作为建筑保温材料做了模拟分析，最后得出结论在中国不同气候区的建筑保温使用真空绝热板比使用聚苯乙烯泡沫节能将达到7.2%至18.8%。对于真空绝热板在建筑围护结构的实例应用，例如地面保温用VIP 结构，外墙保温 VIP 系统结构以及VIP 应用于墙体护栏等，罗求洪[16]对这方面做了详细地介绍。目前建筑用真空绝热板具体施工流程（图11）如下：
①在VIP 真空绝热板背面喷涂聚氨酯；
②沿龙骨由下向上依次粘贴；
③粘接时均匀挤压，保证板面平整。
图10相同保温效果的不同材料厚度对比
Fig.10 Different material thickness with the same heat preservation effect
图11建筑用真空绝热板施工图
Fig.11Construction diagram of VIP
另外，与建筑应用传统保温材料相比，真空绝热板的力学性能不足，蒋亮[19]等提出建筑用真空绝热板结构功能一体化设计，能有效的提升真空绝热板的机械力学性能，保证真空绝热板在建筑上的有效应用。其具体做法是用玻璃纤维增强混凝土（GRC ）做成盒体形状，如图12（左）。在GRC 盒内上下放置两块真空绝热板，中间是气体吸附干燥层，用于吸收盒内气体和水蒸气，其余空隙部分用聚氨酯进行发泡填充阻止盒内气体对流换热并增加整体结构的稳定性。图12（右）是GRC 盒体与真空绝热板组合实物图。
图12 GRC盒体与真空绝热板组合结构示意图（左）和实物图（右）[19]
Fig.12 Principle and Practicality diagram of GRC box
2.2真空绝热板在建筑应用中存在的问题
与传统建筑用保温材料相比，真空绝热板确实有很大的优势。但是作为一种新型保温隔热材料，真空绝热板在建筑上得应用也存在一些问题，需要研究人员，产品供应商以及建筑施工方共同努力解决。就目前来讲，真空绝热板在建筑上的应用的问题可归结为以下几点：
1. 真空绝热板应用的前提条件是要保证其真空度未被破坏，但作为建筑物保温隔热材料应用时，真空绝热板的力学性能差，表面易破损，需要进一步优化VIP 的力学结构，使其力学结构和热学性能能达到最好的配置。
2. 目前，真空绝热板的使用寿命测试大多是在实验室进行，具体在建筑上应用时的寿命时间尚未得到实践验证，并且大部分VIP 是使用寿命都小于建筑物的使用寿命。
3. 相对于传统的建筑用保温材料，真空绝热板在具体建筑应用时不能任意裁剪，切割，否则会破坏其真空度，需要按照现场施工要求在生产商预先订制。
4. 目前，真空绝热板的造价偏高，材料成本和制作成本都比普通的保温材料要高，这限制了其在建筑领域大规模地使用。政府相关部门在真空绝热板建筑初期应该有相应的政策给予补助支持。
2.3. 使用中注意事项及一种可降阶反气体渗透真空绝热板
由于真空绝热板只有在保证其真空度的前提下才能有效地发挥其绝热性能，所以VIP 在生产、运输和施工安装过程中必须要非常小心, 谨防造成对VIP 的损伤，一旦对VIP 膜结构有穿透性的破坏, 就会造成气体通过薄膜向板内泄漏，降低真空度失去其原有的绝热性能。
为保障真空绝热板在整个使用周期的绝热性能和延长其使用寿命，阚安康[13]等对真空绝热板的常规膜进行了优化创新，提出了可降阶反气体渗透真空绝热板的概念。与常规阻气膜结构相比其提出的的隔气结构不再是单纯的单层膜结构，而是具有多层阻气膜复合而成的阻气结构。气体需要经过外设的一层隔气结构和芯材后才能到达中心层的芯材，延长了气体渗透的路径，从而可有效的降低气体渗透量，保证其整体绝热性能。图13是两种阻气膜的对比图。
图13 常规阻气膜示意图（左）和可降阶反渗透阻气膜（右)[13]
Fig.13 Principle diagram of Traditional envelope vs Preventing penetration envelope
3. 结论
真空绝热板作为目前国内外最为先进的隔热保温材料，具有体积小，质量轻，环保无污染，导热系数
2016年第九届全国制冷空调新技术研讨会论文集
低等优点，广泛应用于各个领域，尤其是在建筑领域的具有很大的应用潜能。虽然相对于国外我国对真空绝热板的研究发展较晚，在建筑领域的应用也存在一定的问题，但随着我国科研人员和建筑工程师的不断努力和国家对于节能环保的不断重视，相信会使真空绝热板在绝热性能，可靠性，适用性等方面不断地完善，使得真空绝热板在国内广泛地推广和应用。
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真空绝热板研究现状及其在建筑领域的应用
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关键词：真空绝热技术；导热系数；使用寿命；建筑保温
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Abstract : As a high-performance thermal barrier material,Vacuum insulation panel (VIP) has been increasingly applied in the field of architecture，with its performance and production technology constantly optimizing and perfect.The paper mainly introduces the basic concept of vacuum insulation panel, structure composition and insulation mechanism, and summarizes research status of domestic vacuum insulation panel , analyzes the core material, gas insulation structure and the main research progress of getter.The thermal conductivity and service life of vacuum insulation panels has also been carried on the determination.Furthermore ,this paper discusses the vacuum insulation panel research present situation and the matters needing attention in the field of construction, analyzing the existing main problems and puts forward the corresponding solutions.
Key words :Vacuum insulation technology; Thermal conductivity; Service life; Building insulation
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在能源问题和环境问题日益突出的二十一世纪，节能减排已成为当前世界各国的主要任务。目前能量的供给来源主要是煤，石油，天然气等化石能源，这势必会加大二氧化碳等温室气体的排放，污染环境。建筑物的供热和制冷每年都需要大量的能量，建筑能耗占社会总能耗大约有百分之四十，所以降低建筑能耗是最具潜力的一个努力方向。改进建筑物围护结构的保温措施，提升围护结构的隔热性能是降低建筑能耗的主要方法。真空绝热板在建筑物外墙围护结构上的应用将会在很大程度上缓解建筑能耗的问题。 真空绝热板作为目前高效的隔热保温环保材料将会在未来各个保温隔热领域发挥着不可替代的作用，基金项目：上海市自然基金（No.15ZR1419900）
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尤其是在建筑领域的应用。真空绝热板是目前世界上最为先进的隔热保温材料。真空绝热板有极低的导热系数，与传统的绝热材料相比，在保温效果要求相同时有保温层厚度薄、体积小、重量轻和制作过程环保无污染等优点。随着对真空绝热板的不断优化和其成本的不断降低，在未来几年真空绝热板将有很大的市场需求。本文章主要对真空绝热板概念，绝热机理及其结构组成做了详细地介绍，并在此基础上对真空绝热板的热导率和使用寿命做了界定，同时论述了其在建筑领域的使用现状及存在的问题。最后总结了真空绝热板在应用过程中的注意事项并为读者介绍了一种可降阶反气体渗透的新型真空绝热板。
1. 真空绝热板基本概念及结构组成
1.1真空绝热板概述
真空绝热板（VIP ）是一种新型的保温隔热材料，由多孔芯材，吸气剂和阻气膜三部分复合而成的一种新型的保温材料（如图1）。多孔介质是尽可能多地降低真空绝热板的热传导，阻气膜是保证所创造的真空环境，以最大限度地降低由气体造成的热传导和对流换热，吸气剂是为了吸收外界渗入真空绝热板内部和芯材释放的气体和水蒸气，从而降低对流换热和气体导热，持续地保持真空绝热板的真空度，来维持相对低的导热系数同时可以延长真空绝热板的使用寿命。
图1 VIP结构原理图（左）及其实物图（右）[1] Fig.1 Principle and Practicality diagram of VIP structure [1]
经过真空绝热板的热量的传递是由热传导，对流传热和辐射传热三种方式组合而成。真空绝热板就是基于这种理论尽最大的可能来阻止这三种形式的热量传递。目前我们认为真空绝热板中的热量传递包括芯材固体导热，板内气体导热，辐射传热以及对流传热四部分组成。对应的可以用下面的公式表示：
λtot =λsol +λgas +λrad +λconv +λcoup [2]
其中λsol 是固体导热系数，λgas 是气体导热系数，λgas 是辐射导热系数，λconv 是对流导热系数，λcoup 是耦合导热系数。也就说真空绝热板的总的热导率是大于前四项热导率之和，这是由前几种换热方式之间相互影响的结果。但是考虑到耦合导热系数非常小，常常可以忽略不计。我们的目的就是通过不断降低各
部分的热导率，使得真空绝热板的总导热系数达到一个最低值。
1.2芯材
1.2.1芯材的作用及要求
芯材作为真空绝热板的重要组成部分，一般是选用多孔芯材，以最大可能地增加真空绝热板的导热热阻，其作用可以概括成以下三点[3]。
1. 用于支撑真空绝热板的壁面，以避免在抽完真空的状态下封闭的阻气膜收缩，塌瘪。
2. 控制气体热传导及对流传热，芯板可以在某种程度上限制参与在VIP 中的一些气体分子的运动空间，从而阻止气体对流和气体热传导两种传热方式。
3. 红外遮蔽及散射作用，高真空度条件下，辐射传热也是热量传递的主要形式之一，此时VIP 芯材需要能够起到对红外热辐射进行吸收、散射的作用。
对应于VIP 芯材的作用，为能满足真空绝热板芯材的条件，芯材需要满足以下特定的要求[2][4]。
1. 多孔芯材的孔径必须足够小，这样在相对高的抽气压力下就能满足真空绝热板的真空度，纳米多孔芯材在相对高的压力环境下就能就能使得真空绝热板的导热系数满足要求。图2就显示了不同芯材导热系数随内部真空度的变化的关系。从图中我们可以看到在板内气体压力超过100 Pa时，真空绝热板的导热系数会急剧上升。
2. 芯材的孔必须是开放的同时能起到好的支撑作用，这样才能使气体更容易地抽出来，以尽可能多地降低VIP 的制作成本。
3. 芯材要能有效地阻止红外辐射，以降低传热过程中的辐射传热。
图2 不同多孔介质热导率随内部真空度的变化[3]
Fig. 2 Thermal conductivity of VIPs with different types of core materials under the action of air
pressure
作为真空绝热材料的多孔介质芯材一直都是国内外学者关注的热点。一般被选作芯材的材料应具有开孔率高、孔隙特征尺寸小、有一定耐压强度和防红外辐射性能、热导率低等特点。但某一种芯材是不能满足上面所有的要求，它们都有各自的优缺点。
陈照峰[3]等人将现在VIP 芯材分为颗粒型芯材，泡沫型芯材和纤维型芯材，并分别介绍了各类芯材的优缺点。颗粒型芯材真空绝热板耐压强度高、导热系数相对较大，成本高，制作过程难以控制；泡沫型芯材真空绝热板成型工艺简单，密度低，孔径小，导热系数较低，老化性能差；纤维型芯材真空绝热板导热
系数低，结构稳定性差，一般在常温下使用。下面就目前市场上常见的芯材做一个介绍。
1.2.2. 气相二氧化硅
气象二氧化硅为白色微细粉末，无毒，不可燃，可循环利用，原子粒径在7～40纳米, 不会对环境造成污染而且气象二氧化硅芯材本身可作为干燥剂来吸收透过阻气膜进入VIP 中的水蒸气，所以目前在建筑上应用的真空绝热板的芯材大多是气象二氧化硅。通常气相二氧化硅的质量密度大概是200 kg/m3，导热系数在20-100 mbar 的压力下能达到3-6 m W/(m·K) [5]。但作为颗粒型芯材气象二氧化硅也有其固有的缺点，如制作成本较高，抽气过程难以控制，对红外辐射遮蔽作用较差等。图3为气象二氧化硅实物图和以气象二氧化硅为芯材的真空绝热板。
图3 气象二氧化硅实物图和气象二氧化硅真空绝热板
Fig.3 Practicality diagram of fumed silica and VIP with the core of fumed silica
1.2.3. 聚氨酯泡沫 聚氨酯（PUR ）泡沫是以异氰酸酯和聚醚为主要原料，在发泡剂、催化剂、阻燃剂等多种助剂的作用下，通过专用设备混合，经高压喷涂现场发泡而成的高分子聚合物。 聚氨酯泡有软泡和硬泡两种。软泡为开孔结构，硬泡为闭孔结构。其导热系数低，仅0.022～0.033 W/（m.K ），而且聚氨酯有很好的机械强度和开孔结构，密度小，质量轻等优点，所以聚氨酯本身就是一种目前广泛使用的绝热材料而且和容易抽取真空而作为VIP 芯材。最初的真空绝热板的芯材就是聚氨酯泡沫[2]。但是作为泡沫型芯材聚氨酯的孔径比颗粒型芯材如气相二氧化硅要大。这就要求当与气象二氧化硅芯材的VIP 达到相同的导热系数时，聚氨酯泡沫芯材
VIP 则要求更高的真空度。而且聚氨酯泡沫芯材的真空绝热板，抽真空压力必须要保持在1 mbar以下，如果超过这个压力值，导热系数就会急剧上升[6]。这对于现在的阻气膜达不到这样的要求，所以，虽然聚氨酯泡沫芯材的VIPs 的造价不高，但是使用寿命比较短，所以现在不适合在建筑上应用[2]。图4为聚氨酯板材。
图4 聚氨酯板材
Fig.4 The panel of polyurethane
1.2.4. 玻璃纤维
玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，具有耐热性强、抗腐蚀性好，机械强度高等优点。但缺点是性脆，耐磨性较差。它是以玻璃球或废旧玻璃为原料经高温熔制、拉丝等工艺制造成的，其单丝的直径为几个微米到二十几米个微米。与上述两种芯材相比玻璃纤维芯材的真空绝热板导热系数最低[3]。但是它与聚氨酯泡沫有相同的缺点就是芯材内部间隙较大这对抽气压力的要求较高，会增加VIP 的制作成本。虽然玻璃纤维的造价相对较低，但是填有吸气剂的玻璃纤维芯材的VIP ，其使用寿命大概是15年左右[7]，相对建筑的使用寿命较短，所以以玻璃纤维为芯材的VIP 大多应用于冰箱，船舶集装箱等。玻璃纤维的可塑性也比较强，可以制成各种形状的真空绝热板。图5是上海海事大学以玻璃纤维为芯材研制的各种异形真空绝热板。异形真空绝热板的研制和发展极大地扩大了真空绝热板的应用领域。
图5以玻璃纤维为芯材的各种异形真空绝热板
Fig.5 VIPs with the core material of glass fiber
1.3吸气剂和干燥剂
随着真空绝热板长时间地使用，会有气体和水蒸气慢慢地通过阻气膜渗入到真空绝热板的芯材，同时芯材内部本身也会产生一定的气体，从而破坏了VIP 的真空度，降低其导热热阻，影响真空绝热板的使用寿命。所以一般在真空绝热板内部加入吸气剂和干燥剂，来减少和吸收在VIP 内的少量气体和水蒸气，以持续地维持板内的真空度，延长真空绝热板的使用寿命。常见的吸气剂有钡锂合金吸收氮气、氧气、二氧化碳等气体，氧化钴吸收氢气，干燥剂使用氧化钡或氧化钙来吸收水蒸气 。目前国内对吸气剂和干燥剂研发的公司有南京善工和福建赛特，其中福建赛特是对真空绝热板包括吸气剂进行自主研发和生产的公司，南京善工是一家只生产真空吸气剂的公司。图6是我国某公司自主研发的真空绝热板用TK107 吸气剂。
图6 TK107吸气剂
Fig.6 TK107 getter
TK107 系列吸气剂是氧化钙干燥剂、非蒸散型锆钒铁吸气剂以及钡锂吸气剂压入金属环内而制成的复合吸气剂，能够吸收水蒸气和各种气体包括 H 2，CO 2，O 2，N 2，CO 和有机气体，可用于冷冻冷藏用真空绝热保温板或建筑保温材料板内，能显著提高保温板的隔热效果和寿命。图7是TK107系列吸气剂的技术参数。
图7 TK107系列吸气剂的技术参数
Fig.7 Technical parameters of TK107 getter
1.4阻气膜
阻气膜的作用是维持真空绝热板的真空度，防止气体和水蒸气的渗入。选择不同的阻气膜不但会影响气体和水蒸气的渗透率，而且热封处还会对真空绝热板产生不同的热桥效应。所以说阻气膜的选择对真空绝热板的绝热性能将会有很大的影响。阚安康就阻气膜对真空绝热板热工性能及使用寿命的影响做了详细的论述[8]。江苏某包装公司制作的阻气膜其氧气透过率能小于0.005cm 3/(m2·24h ·0.1Mpa) ，水蒸气透过率可以小于0.04g/(m2·24h) 。
阻气膜多为几种材料复合而成，一般应包含阻气层、阻热层、防辐射层、热封层、保护层等[8]。阻气膜最里层是热封层，用于更好地粘合热封芯材，一般是由聚乙烯（PE-LD ）组成，中间一层是阻气层，主要是防止气体和水蒸气的渗透，这一层大多是由铝箔构成，虽然添加铝箔会加大阻气膜的热桥效应，但是为有效地防止气体的渗入，铝箔层是必不可少的。最外层是一般是由高分子聚乙烯对苯二甲酸脂（PET ）构成的保护层，主要目的是用来保护阻气膜，以防止阻气膜被刺破，增强阻气膜的耐用性。图8是现在几种常见的阻气膜的结构示意图。
图8几种典型的阻气膜结构示意图[9]
Fig.8 The Principle diagram of Al foil and multilayer foils[9]
1.5测试技术
真空绝热板作为一种高效的绝热材料，导热系数是表征其优良的一个重要的参数。准确地对VIP 导热系数进行测量不但能为生产商检验产品的合格率，更能为研究VIP 老化试验的研究人员提供可靠的实验数据。目前国内外主要采用大平板热保护法及其原理做成的测试仪器作为VIP 导热系数的测试装置，虽然准确度高但测量时间长，而且对板材的尺寸大小有一定的要求[10]。中国研制的这类测试装置主要有天津英贝儿测控设备有限责任公司研制的双平板导热系数测定仪和沈阳鑫合经纬机械电子设备有限公司研制的导热系数测定仪等[11]。
对于上述测量方式的缺陷，阚安康[10]等提出一种以双室热保护法测定真空绝热板(VIP)的导热系数为原理，设计了一套测试装置，与先前国内测试技术相比其最大优点就是对VIP 大小没有限制。另外，黄俊[11]等也对真空绝热板的测试技术有一定的研究，提出了一种基于埋入式热流计法快速测量 VIP 导热系数方案，其最大的优点是缩短了测量导热系数的用时。
1.6使用寿命及老化试验
真空绝热板在使用过程中，即使没有受到外界的机械创伤，外界气体，水蒸气会通过阻气膜及其封口渗入到板内，同时膜结构和芯材本身也会释放一定的气体，导致板内真空度降低，导热系数会随着长时间的使用而缓慢升高。但是，目前在国内对真空绝热板的使用寿命及老化试验方面的研究还比较少。温永刚
[12]参照美国ASTM C1480-01标准规定，将VIP 热导率大于0.0115 W/(m·K) 时，定义为真空绝热板老化失效，并以玻璃纤维为芯材的真空绝热板进行了老化试验并建立了分析模型，对其使用寿命进行了预测，表明VIP 在实验室标准工况下的使用寿命可以达到15年左右。同时，阚安康[13]等也通过建立VIP 使用寿命模型，结合实验验证对比分析，对真空绝热板的使用寿命做了分析研究，指出延长真空绝热板使用寿命的具体方法，提出了一种可降阶反气体渗透的真空绝热板，可以有效缓解真空绝热板的老化速率，延长真空绝热板的使用寿命。
1.7真空绝热板热桥效应研究进展及其优化措施
相对于真空绝热板的其它部位，尤其是为防止气体渗透阻气膜中添加有金属成分时，真空绝热板阻气膜热封处的热阻会很小，会引起大量的热量流失，从而形成真空绝热板的热桥效应。真空绝热板的热桥效应会降低其整体的绝热性能。目前国内对这方面研究的相对比较少，杨春光[14]等人首先分别从单个真空绝热板，组装真空绝热板间和安装过程中的真空绝热板各个方向详细地论述了能产生热桥效应的地方并在此基础上分析了影响真空绝热板热桥效应的因素和优化措施。随后阚安康[15]等也对详细地介绍了真空绝热板热桥形成机理，并通过建立了热桥效应有限元分析物理模型得出真空绝热板厚度，芯材导热系数，阻气膜厚度及导热系数对真空绝热板的热桥效应有很大的影响。随着VIP 厚度和芯材导热系数的增加，其边缘热桥效应有减小的趋势，但是阻气膜的厚度和导热系数越大其热桥效应则会越明显。
为能最大限度减小真空绝热板的热桥效应，一般在满足阻气性能的前提下，应尽量使阻气膜和金属层的厚度尽可能小。在安装和使用过程中，要避免小面积单块真空绝热板的使用，减少热封面积，另外在热封处可选用导热系数低的发泡材料进行填充。图9是一种名为Serpentine 封边设计，可以增大通过封边结构的热流路径，以减少热桥效应所形成的热流损失，但是制作工艺要求较高，会增加相应的制作成本。
图9 Serpentine封边设计
Fig.9 The Serpentine edge design of the VIP barrier
2. 建筑领域使用现状及存在的问题
2.1真空绝热板在国内建筑领域应用现状
由于真空绝热板极好的保温隔热性能，其应用领域已经从最初的冰箱，冷藏运输等逐步延伸到建筑领域。与传统的建筑用保温材料相比真空绝热板不但重量轻而且体积小，这在很大程度上能够增加建筑用户的有效使用面积。当传热系数达到0.13 W/(m2·K) 所需的隔热材料厚度，普通混凝土需要15800 mm ，聚苯乙烯泡沫300 mm ，聚氨酯泡沫192 mm ，而真空绝热板的厚度仅需30 mm [16]。杨春光[17]等分析了应用不同材料作为建筑保温层时，采用VIPs 技术可以大幅度降低能耗，30 mm 厚的VIPs ，其外墙能耗仅为31 kW ·h/（m 2·year ），而且绝热层厚度仅为普通绝热材料的 1/3 左右。图10是具有相同保温效果的各保温材料厚度对比图。这正反映了真空绝热板作为一种新型绝热材料在建筑上应用的巨大潜力。齐娇[18]等也分别对真空绝热板和聚苯乙烯泡沫作为建筑保温材料做了模拟分析，最后得出结论在中国不同气候区的建筑保温使用真空绝热板比使用聚苯乙烯泡沫节能将达到7.2%至18.8%。对于真空绝热板在建筑围护结构的实例应用，例如地面保温用VIP 结构，外墙保温 VIP 系统结构以及VIP 应用于墙体护栏等，罗求洪[16]对这方面做了详细地介绍。目前建筑用真空绝热板具体施工流程（图11）如下：
①在VIP 真空绝热板背面喷涂聚氨酯；
②沿龙骨由下向上依次粘贴；
③粘接时均匀挤压，保证板面平整。
图10相同保温效果的不同材料厚度对比
Fig.10 Different material thickness with the same heat preservation effect
图11建筑用真空绝热板施工图
Fig.11Construction diagram of VIP
另外，与建筑应用传统保温材料相比，真空绝热板的力学性能不足，蒋亮[19]等提出建筑用真空绝热板结构功能一体化设计，能有效的提升真空绝热板的机械力学性能，保证真空绝热板在建筑上的有效应用。其具体做法是用玻璃纤维增强混凝土（GRC ）做成盒体形状，如图12（左）。在GRC 盒内上下放置两块真空绝热板，中间是气体吸附干燥层，用于吸收盒内气体和水蒸气，其余空隙部分用聚氨酯进行发泡填充阻止盒内气体对流换热并增加整体结构的稳定性。图12（右）是GRC 盒体与真空绝热板组合实物图。
图12 GRC盒体与真空绝热板组合结构示意图（左）和实物图（右）[19]
Fig.12 Principle and Practicality diagram of GRC box
2.2真空绝热板在建筑应用中存在的问题
与传统建筑用保温材料相比，真空绝热板确实有很大的优势。但是作为一种新型保温隔热材料，真空绝热板在建筑上得应用也存在一些问题，需要研究人员，产品供应商以及建筑施工方共同努力解决。就目前来讲，真空绝热板在建筑上的应用的问题可归结为以下几点：
1. 真空绝热板应用的前提条件是要保证其真空度未被破坏，但作为建筑物保温隔热材料应用时，真空绝热板的力学性能差，表面易破损，需要进一步优化VIP 的力学结构，使其力学结构和热学性能能达到最好的配置。
2. 目前，真空绝热板的使用寿命测试大多是在实验室进行，具体在建筑上应用时的寿命时间尚未得到实践验证，并且大部分VIP 是使用寿命都小于建筑物的使用寿命。
3. 相对于传统的建筑用保温材料，真空绝热板在具体建筑应用时不能任意裁剪，切割，否则会破坏其真空度，需要按照现场施工要求在生产商预先订制。
4. 目前，真空绝热板的造价偏高，材料成本和制作成本都比普通的保温材料要高，这限制了其在建筑领域大规模地使用。政府相关部门在真空绝热板建筑初期应该有相应的政策给予补助支持。
2.3. 使用中注意事项及一种可降阶反气体渗透真空绝热板
由于真空绝热板只有在保证其真空度的前提下才能有效地发挥其绝热性能，所以VIP 在生产、运输和施工安装过程中必须要非常小心, 谨防造成对VIP 的损伤，一旦对VIP 膜结构有穿透性的破坏, 就会造成气体通过薄膜向板内泄漏，降低真空度失去其原有的绝热性能。
为保障真空绝热板在整个使用周期的绝热性能和延长其使用寿命，阚安康[13]等对真空绝热板的常规膜进行了优化创新，提出了可降阶反气体渗透真空绝热板的概念。与常规阻气膜结构相比其提出的的隔气结构不再是单纯的单层膜结构，而是具有多层阻气膜复合而成的阻气结构。气体需要经过外设的一层隔气结构和芯材后才能到达中心层的芯材，延长了气体渗透的路径，从而可有效的降低气体渗透量，保证其整体绝热性能。图13是两种阻气膜的对比图。
图13 常规阻气膜示意图（左）和可降阶反渗透阻气膜（右)[13]
Fig.13 Principle diagram of Traditional envelope vs Preventing penetration envelope
3. 结论
真空绝热板作为目前国内外最为先进的隔热保温材料，具有体积小，质量轻，环保无污染，导热系数
2016年第九届全国制冷空调新技术研讨会论文集
低等优点，广泛应用于各个领域，尤其是在建筑领域的具有很大的应用潜能。虽然相对于国外我国对真空绝热板的研究发展较晚，在建筑领域的应用也存在一定的问题，但随着我国科研人员和建筑工程师的不断努力和国家对于节能环保的不断重视，相信会使真空绝热板在绝热性能，可靠性，适用性等方面不断地完善，使得真空绝热板在国内广泛地推广和应用。
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