7月24日14時22分，搭載問天實驗艙的長征五號B遙三運載火箭在中國文昌航天發射場點火發射，發射取得圓滿成功。在本次發射任務中，南航材料科學與技術學院超級絕熱復合材料課題組陳照峰教授、楊麗霞講師開發的航天級輕質納米真空絕熱板，成功應用於我國問天實驗艙低溫實驗保冷設備。
團隊歷經6年，經過上百次實驗，開發出超低導熱、長壽命輕質納米真空絕熱板。突破了複雜真空成型和封裝安裝技術等瓶頸，確保了真空絕熱板性能長期穩定。圖片來源於中新網。
作為一種新型的高效絕熱材料，真空絕熱板（Vacuum insulation panel，VIP）具有導熱係數低、體積小、質量輕、防火、環保無污染等特點，導熱係數低至1.5mW / (m·k)。
與傳統絕熱材料相比，VIP板導熱係數只有傳統絕熱材料的六分之一甚至更低，其厚度也僅為普通材料的五分之一至十分之一，且VIP板在生產過程中不使用消耗臭氧層物質（ODS）或者產生溫室氣體物質，還可以回收利用，兼具綠色環保和安全節能的雙重優勢，並達到節省空間的目的，是理想的保溫隔熱材料，適用於受空間限制及保溫性能要求比較高的場合。
真空絕熱板自發明以來被廣泛應用於各個工業、科研領域。它是怎樣製備的？與真空技術有哪些聯繫？本文一起來認識一下這位「保溫隔熱小能手」。
真空絕熱板的結構
VIP主要由芯材、阻隔膜、和吸氣劑3部分組成。VIP的熱量傳遞主要包括芯材的導熱、VIP內部殘留氣體的導熱、對流傳熱和輻射傳熱4部分組成。
VIP結構圖
為了最大限度地降低這4部分熱量傳遞，VIP在製作中應最大程度地優化其各構成部分的性能，尤其要注意以下3個方面的問題：
芯材要有較低的導熱係數、一定的強度，以避免抽真空時塌癟，同時還要有一定的孔隙，便於形成真空。
隔氣結構材料要具有良好的隔氣性能和阻熱性能，同時還要具有一定的強度，以保護芯材。
真空度的大小與VIP的熱工性能息息相關。根據不同的芯材，需要選擇不同的抽真空壓力。例如，對於一般開孔型的發泡板，其孔徑的分布範圍為0.01~0.1mm，為了保證好的絕熱效果，板內的真空壓力需要維持在1~100Pa。而對於採用納米孔芯材（其孔徑的分布範圍一般為10~100nm）的VIP，板內只要維持1000~2000Pa的真空壓力就可達到與一般開孔型的發泡板基本相同的隔熱效果。
常見的VIP多為矩形平板VIP，但也有少量異形板，如弧形VIP、帶凹槽VIP、表面凹坑VIP和帶鉚釘孔VIP等。圖中即為多種異形結構的VIP。
真空絕熱板的製備
真空絕熱板的製備流程如下：
將芯材固化、乾燥、平整成平板，再多層疊加與裁切並裝入隔氣隔熱阻燃袋；
平放於真空封裝機中，在袋子上壓板避免封裝不均勻，捋平熱封口上下兩層膜，然後放下真空室蓋，抽真空將蓋子壓實；
加熱熱封金屬條，並將熱傳導到封口鋁塑膜內層PE層，保持一定時間，PE層熔融復合，斷電降溫，真空室緩慢放氣，即可製得真空絕熱板產品。
VIP的製備流程
生產過程中真空度是影響熔融封裝的重要因素，直接影響到真空絕熱板的壽命和可靠性，因此在真空絕熱板生產過程中，保持良好的真空條件十分重要。真空系統排氣質量關係到真空絕熱板的絕熱性能和使用壽命，因而對排氣系統要進行嚴格的質量管理。排氣過程中要對真空度進行嚴格的監測，真空計要定期校驗，並設質量控制點，認真做好各項記錄。
作為VIP的骨架材料和維持真空的必備條件，芯材在VIP體系中起著舉足輕重的作用。芯材用於支撐VIP的板壁面，需承受約100kPa的壓力，避免在真空條件下外部的封閉薄膜收縮、塌癟。VIP芯材主要分為如下幾類。
顆粒型芯材：矽土粉、珍珠岩、氣相二氧化矽等隔熱顆粒構成的芯材統稱為顆粒型芯材，上圖為該芯材球體模型。顆粒型芯材優點在於真空狀態下其導熱係數較低，且對壓力增加不敏感，但是這類芯材VIP製作過程中很難控制，例如抽真空時必須防止芯材微小顆粒被抽出來，高吸濕性對抽真空不利等。另外，顆粒類芯材密度比較高，增加了VIP的重量。
泡沫型芯材：如發泡聚苯乙烯和發泡聚氨酯，也常常作為VIP的芯材，上圖為開孔泡沫的簡易模型。這些泡沫型芯材密度低（60~100kg/m3）、孔徑小，因此具有非常低的導熱係數。另外，泡沫型芯材生產方便、價格低廉，因此得到了廣泛的應用。但泡沫型芯材卻很難在低壓（≤10Pa）下保持真空狀態，因此具有比較短的壽命。
纖維型芯材：例如玻璃纖維、岩棉、陶瓷纖維，具有質量低、高溫穩定性好的特點。與泡沫類、粉末類芯材相比，纖維類芯材製備的VIP導熱係數最低。上圖為纖維絕緣材料的簡易模型，一般具有疊層結構，每層纖維層由多根長纖維搭接而成，呈現多個角度。由於纖維一般是隨機排列的，所以纖維型芯材結構穩定性較差。
復合芯材：復合芯材通常指纖維基復合芯材，該芯材以纖維材料作為骨架，將不同尺寸的顆粒填充在纖維的孔隙空間中，組成一個具有相對密實結構的芯材。這類新型復合芯材展現了比較優異的特性，具有耐壓強度高、抽真空後回彈性小、抗折強度高、抽真空時間短等優點，能夠融合單一芯材的優點並克服單一芯材的缺點，滿足不同使用場合和使用領域對於VIP的性能要求。上圖為建築用隔熱纖維與隔熱顆粒混雜復合芯材。
不同芯材的VIP板導熱係數對比
真空絕熱板的發展與應用
真空絕熱板是20世紀50年代發明的。早期的真空絕熱板採用的芯材主要是粉狀材料或纖維材料，如珠光粉、粉狀二氧化矽、粉狀碳酸鈣、活性炭、玻璃纖維等。粉狀二氧化矽芯材真空絕熱板隔熱性能好、壽命長、綜合性能較佳、技術成熟，至今仍在生產和使用。其主要用於航空航天、醫用保溫箱等，也用於民用製冷設備，但這種真空絕熱板價格高，密度較大，從而限制了其廣泛使用。
20世紀70年代，真空絕熱板的概念首先由美國NASA提出，其設計的產品是以氣相二氧化矽作為芯材，將5cm厚的絕熱板應用於標準15cm厚的牆體上，達到R-70的熱阻值。隨後在人們發現冰箱用氟利昂對大氣中臭氧層有消耗作用後，冰箱節能技術的需求極大地促進了真空絕熱板的研究和開發。以有機泡沫為芯材的真空絕熱板的出現，使其在醫用保溫箱、冰箱、冷凍箱和船用冷藏器材等領域得到大量應用。
國內VIP板的研究始於21世紀初，由於發展時間較短，市場認知有限，加之成本較高，國內應用仍處於導入期，其中約80%應用集中於冰箱冰櫃等家電製造領域。2010年國內VIP板產量僅80萬平米，2015年達到1105萬平米，2018年國內VIP板板銷量約2000萬平米，年復合增速約50%，產值達25億元左右。2019年我國VIP企業數量20餘家，年產能5000萬平方米，實際銷量約4000萬平方米，產值約40億元。
2010年以來，我國南京航空航天大學成功研發了超細離心玻璃棉芯材真空絕熱板，初始導熱係數低至1.5mW / (m·k)，在無吸氣劑時壽命可達15年，在吸氣劑條件下，壽命可達50年以上，成為很多國外家電企業採購的首選產品。
2015年9月，第十二屆國際真空絕熱材料會議在南京航空航天大學科學館舉行，全面展示了中國真空絕熱板的技術和發展現狀，從此奠定了中國成為真空絕熱板生產大國的地位。
在航空航天領域，除了前文提到的應用於問天實驗艙低溫實驗保冷設備，真空絕熱板主要應用于飛行器的熱防護系統（Thermal protection system，TPS），以解決氣動加熱問題。TPS是發展高超聲速飛行器的關鍵性技術之一，而開發新型隔熱材料是TPS中最為實用的途徑。TPS作為一種特殊結構的耐高溫VIP，目前已被廣泛應用於太空飛行器防熱結構。
目前，真空絕熱板已開始應用於冰箱、冰櫃、建築、船舶、公路和空中冷藏運輸等民用領域。其中，冰箱、冰櫃行業是真空絕熱板未來應用最大的領域。隨著VIP技術成熟和產業化發展，在性能和價格方面替代傳統的保溫材料將成為可能。
VIP芯材下游應用場景廣泛