新型气凝胶及其掺杂真空石墨形式的热技术研究

《Energy Conversion and Management-X》：Heat-technical investigation of newly developed aerogels and their vacuumized-graphite doped forms

　　阿科什·拉卡托斯（ákos Lakatos）| 阿科什·萨博（ákos Szabó）| 埃莱娜·卢基（Elena Lucchi）
德布勒森大学（University of Debrecen），工程学院，建筑服务与建筑工程系（Department of Building Services and Building Engineering），ótemet?街2-4号，德布勒森4028，匈牙利

**摘要**
本研究探讨了气凝胶及其真空处理和掺石墨后的真空形式的热性能。研究了具有不同硅基核心材料的真空绝缘板的热导率，包括是否含有碳片的情况。实验使用了三种类型的纤维气凝胶作为核心材料，并使用了一种基于硅的微孔绝缘材料作为填充剂。对核心材料进行了拍照，并在不同的平均温度下测量了所有材料的热导率。研究结果对于这些材料作为真空绝缘板填充材料的适用性具有参考价值。结果显示，经过真空处理后，热导率可降低3-20%，具体取决于核心材料的类型。对于Slentex材料，添加石墨后热导率进一步降低了1.5%；而对于Space loft材料，与未经真空处理的样品相比，热导率降低了4%。在所有百分比降低的情况下，我们将测得的热导率与初始的纯非真空状态下的热导率进行了比较。对于Pyrogel和Microtherm材料，添加石墨并未降低其热导率。我们的研究表明，真空处理总是有助于降低热导率，而添加石墨虽然有益，但效果取决于材料本身的结构。

**1. 引言**
能源效率和环境可持续性是当代环境政策的核心要素，反映了它们对全球能源消耗和温室气体排放（CO2）的显著影响。建筑行业在全球最终能源使用中占有重要份额，这一点在国际政策框架中得到了越来越多的体现。在欧洲，随着《建筑能效指令》（Energy Performance of Buildings Directive, EPBD）的出台，对建筑物的能效要求不断提高[1]，同时提出了具体的重大改造标准[2]、脱碳解决方案[3][4]以及经济可行的能效改进措施[4]。最新的指令修订版（2024/1275号指令[5]）进一步强化了这一监管框架，使其与欧盟的“Fit for 55”计划保持一致，并将最低能效标准（Minimum Energy Performance Standards, MEPS）作为非住宅建筑的强制性要求[6]。这些标准要求建筑物在出售或出租前必须达到最低能效标准。在其他国家和地区也可以观察到类似的监管标准收紧趋势。在澳大利亚，《国家建筑规范》逐步提高了能效要求，长期目标是到2050年实现建筑环境的碳中和，推广双层玻璃、隔热材料、遮阳装置和高效热泵系统的应用[7][8][9]。在中国，建筑行业政策围绕“双碳”目标制定，旨在2030年前达到二氧化碳排放峰值，并在2060年前实现碳中和。这些目标通过大规模的能效提升、系统优化以及智能建筑技术的集成来实现[10][11][12][13]。

在当前的监管和技术框架下，隔热材料在减少能源消耗和提升建筑能效方面发挥着关键作用[15]。通过限制建筑围护结构的热传递，隔热材料还有助于维持室内温度的稳定性，提高居住者的舒适度，并降低建筑构件内部的冷凝风险。热导率（λ）用于量化均匀材料中的热传递能力，而对于非均匀或复合产品，则使用热传导率（C）来反映不同成分相互作用下的整体热传递行为[14]。根据标准定义，隔热材料的热导率λ值应低于0.065 W/mK。根据化学成分，隔热材料被分为无机和有机两类[15]：无机隔热材料包括矿物基产品（如岩棉、玻璃纤维、矿渣棉和蜂窝玻璃），有机隔热材料则包括气凝胶基材料（如硅气和聚合物气凝胶）。有机隔热材料由碳基化合物组成，可进一步细分为石化衍生产品（如发泡聚苯乙烯、聚氨酯、酚醛泡沫和聚异氰脲酸酯）以及完全或部分来自可再生生物资源的生物基产品（如软木、羊毛、玉米淀粉、纤维素纤维、肯纳夫[16][17]。

长期以来，建筑行业一直使用传统的隔热材料，如矿物基、石化基和生物基产品[18]，因为它们成本较低、安装方便且热性能较为满意（λ值通常在0.030-0.045 W/mK范围内[19]）。然而，这些材料的热性能在实际应用中存在局限性，尤其是在空间受限[19]、建筑兼容性要求[20]或保护需求[15]较高的情况下，难以实现显著的节能效果。为克服这些限制，研究和工业发展逐渐转向了超隔热材料，其λ值低于0.020 W/mK[21]。这类材料包括气凝胶和真空绝缘板（Vacuum Insulation Panels, VIPs）[22]。气凝胶依靠纳米级孔隙结构在常压下抑制热传递，由连续的纳米骨架和相互连接的气体填充孔隙网络组成[23]。这种固体骨架的化学性质决定了其属于无机、有机还是有机-无机混合气凝胶[24]。其中，无机硅基气凝胶因其极低的固态λ值、高孔隙率以及良好的防火和老化性能而受到广泛关注[11]。商用气凝胶毯（如Space loft、Pyrogel、Slentex和Microtherm产品）在常压下的λ值已达到0.013-0.020 W/mK[15]。真空绝缘板利用真空条件消除气相热传导，由多孔核心材料封装在气密外壳中构成[25]，核心材料通常选用纤维材料、气相二氧化硅粉末、气凝胶或聚合物泡沫[26]，这些材料能够在低压下保持结构稳定性并最小化固态热传导[27]。外壳通常采用多层结构（如铝箔或钢箔与聚乙烯箔[29]），以提高机械强度并显著降低气体渗透[30]。面板中还集成有吸气剂材料，通常位于核心周围或附近，以长期维持真空状态[31]，这些材料通过化学方式结合残留气体分子，从而限制真空度的下降并稳定使用寿命内的热性能[31]。真空绝缘板的λ值范围为0.0045-0.008 W/mK。气密外壳还使面板具有防潮性能，溴化丙烯酸共聚物的存在使其具有防火性能。不过，这种结构也降低了机械强度：即使是微小的穿刺或缺陷也可能破坏真空状态，导致隔热性能不可逆地丧失[27]。性能退化的时间难以预测，给维护计划带来了复杂性[30]。

尽管对气凝胶基隔热材料和真空绝缘板进行了大量研究，但在结合两者隔热机制的中间技术途径方面仍存在实验研究的空白。特别是将真空条件应用于气凝胶材料并结合石墨增强辐射热传递抑制的效果，尚未通过商业产品进行系统验证。因此，本研究探讨了真空条件和石墨掺杂如何进一步降低气凝胶的λ值，并分析了其背后的材料特定机制。研究重点关注商用气凝胶及其真空成型变体的热性能、潜在应用场景及相关环境因素。

本文结构如下：第2节介绍气凝胶作为先进隔热材料的历史发展与市场现状，分类当前市场上的主要气凝胶基产品，特别关注其化学组成、微观结构特征和热性能。第3节描述了实验方法，包括样品制备、真空封装、石墨添加和λ值测量。第4节展示并分析了实验结果，探讨了真空处理和辐射抑制对材料热性能的影响。第5节总结了主要发现，讨论了研究的局限性，并提出了未来研究的方向。

**2. 材料**
**2.1. 气凝胶**
气凝胶是一种多孔材料，由Kistler于1931年首次制备，通过用空气替代凝胶的液相来实现，而不会导致结构崩塌[21]。“气凝胶”这一名称直接反映了其起源——即通过用气体替代凝胶中的液相制成[22]。早期研究主要集中在硅气凝胶上，这类气凝胶至今仍是研究最广泛、应用最广泛的类型[15]。由于生产过程复杂、成本高昂且具有危险性，进展缓慢[22]。20世纪70-80年代，特别是在溶胶-凝胶化学、超临界CO2干燥技术和更安全的前驱体方面取得了重大进展，使得制造过程更加无毒且经济可行，从而引起了NASA和劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）的兴趣[21]。20世纪90-2000年代，气凝胶因在航空航天领域的应用而受到关注，如用于电子元件的防潮屏障和彗星尘埃的捕获介质。后续研究扩展了气凝胶的应用范围，包括金属氧化物气凝胶以及柔性或增强型的聚合物和混合“x-气凝胶”[22]。根据所用材料的性质，气凝胶可分为以下几类[23]：
- 无机气凝胶
- 有机气凝胶
- 有机-无机混合气凝胶

无机气凝胶是通过硅醇盐的溶胶-凝胶水解和缩合反应形成的硅基材料，形成连续的Si–O–Si网络[24]。其纳米结构具有介孔（2-50 nm）、高孔隙率和相互连接的固态骨架[32]，因此具有低λ值、低密度、低介电常数、光学透明性和良好的声学阻尼性能[33]。然而，它们容易受潮，可能导致孔隙塌陷、收缩和整体性能下降[34]。在高温下，它们可能发生尺寸不稳定和机械强度显著降低[35]。此外，由于其脆性的低密度硅酸盐网络，即使在轻微应力下也容易断裂[35]。因此，目前正在进行大量研究以提升硅气凝胶的机械韧性[36]。

有机气凝胶则基于富含碳的前驱体（如间苯二酚-甲醛、聚氨酯、聚酰亚胺或其他交联有机体系）形成聚合物网络[37]。它们的共价碳骨架赋予了更高的机械韧性，降低了脆性，从而提高了抗压和抗冲击性能[38]。不过，它们的λ值较高，热稳定性较差，尤其是在高温下[39]。

纯无机或有机气凝胶的局限性促使了混合气凝胶的发展[40]。这类气凝胶通过共前驱体合成或凝胶后修饰将有机基团或聚合物链引入无机骨架中[41]，调整了网络连接性和灵活性，提高了机械韧性，同时保持了低λ值和高孔隙率[42]。尽管如此，这些材料仍对湿度敏感，高比表面积会导致水分吸附，影响结构完整性[43]。在高温下，它们会失去尺寸稳定性和机械强度[44]。

在各种气凝胶中，硅气凝胶应用最广泛，因为其技术成熟度较高、市场供应充足，且热性能、耐久性和加工性之间的平衡较好。因此，本研究重点关注这一类别，这也是评估真空辅助和混合隔热概念工业可行性的关键[45]。

**2.2. 选择标准**
选择气凝胶基材料时考虑了三个主要标准：
- 商业可用性和市场相关性，以确保研究结果可直接应用于实际场景；
- 结构和成分多样性，以研究不同气凝胶配方对真空处理和石墨添加的响应；
- 与真空系统的兼容性，以确保机械完整性、柔韧性和外壳集成。

基于这些标准，选择了四种商用硅基气凝胶绝缘产品作为实验研究对象。这些产品在纤维增强、密度、基线热导率和预期应用方面存在差异，便于比较真空处理带来的性能提升。

**2.2.1. Space loft**
Space loft是一种基于非晶态硅气凝胶（SiO2）骨架的复合无机材料，通过玻璃纤维增强。气凝胶相由三维硅氧烷（Si-O-Si）网络构成，具有纳米级孔隙结构，表面经过处理以赋予疏水性。可能含有少量有机成分（粘合剂或加工添加剂），这些成分会影响其防火性能。纳米多孔结构保持了高孔隙率（孔隙率>90%，孔径在纳米级别），显著提高了拉伸强度、抗撕裂性和耐久性。其声明的λ值在10°C参考温度下约为0.02 W/mK，体积密度为150 kg/m3。从湿热角度来看，这种材料既透气又透水蒸气。如果保护不当，长期暴露在高湿度环境中可能会影响其性能。该产品设计用于在高达200°C的温度下连续运行，并具有C级的防火性能。在建筑应用中，Spaceloft有5毫米和10毫米的标称厚度可供选择[45]。2.2.2. Slentex Slentex隔热毯，也称为Spaceloft A2，是一种无机复合材料，由非晶硅气凝胶（SiO2）和高纯度玻璃纤维增强，以提高拉伸和压缩强度。其中不含或仅含有极少量的有机成分，因此具有Euroclass A2-s1,d0的防火性能。在常温条件下的热导率λ范围为0.019–0.022 W/mK。其标称厚度为10毫米，体积密度为180–220 kg/m3 [46]。2.2.3. Pyrogel Pyrogel是一种无机复合隔热材料，由非晶SiO2和纤维增强制成，能够承受高温，通常使用矿物纤维或玻璃纤维。气凝胶网络经过疏水改性以减少水分相互作用，并通过化学稳定处理来提高耐热性。由于几乎不含有机成分，因此能在高温下保持稳定。与建筑级气凝胶毯相比，Pyrogel具有更高的纤维含量和更致密的微观结构，优化了在热循环和高温操作下的机械耐久性和尺寸稳定性。由于其高柔韧性以及抗振动、热膨胀和机械应力的能力，这种材料非常适合用于管道、阀门和工业机械等复杂几何形状的隔热。在工业和能源基础设施的严苛工作条件下，该材料能在广泛的温度范围内保持结构完整性，吸水率极低且具有很强的疏水性。这一特性显著降低了绝缘材料腐蚀（CUI）和防火材料腐蚀（CUF）的风险，从而提高了在潮湿或户外工业环境中的长期耐久性。在常温下的热导率λ范围为0.028–0.035 W/mK，体积密度为220 kg/m3，这是由于固相导热增加所致[47]。2.2.4. Microtherm Microtherm是一种基于不透明热解硅基质的无机微孔隔热材料，根据等级不同，可用氧化铝纤维或玻璃纤维增强。加入红外阻隔剂（通常是金属氧化物）以抑制高温下的辐射热传递。该材料不含任何有机粘合剂，确保在极端条件下的热稳定性和化学稳定性。这种刚性薄微孔板具有高度压缩的硅基核心和以亚微米孔隙为主的孔结构，表现出机械稳定性强的自支撑特性。所有面板都包裹在玻璃布外壳中，提供机械保护，便于搬运，并确保安装时的清洁和卫生。对于可能接触液态水或冷凝水的应用，还有经过疏水处理的产品可供选择[48]。这种刚性板配置适用于需要最小化变形的炉子、窑炉、锅炉和高温封闭空间。在室温下的热导率λ为0.020–0.025 W/mK，体积密度为300 kg/m3，且在1100°C和1200°C下的性能表现优异。在1200°C时，核心由氧化铝或纤维增强热解硅制成。该产品有标准型和疏水型两种版本。疏水型产品吸水率低，适用于潮湿环境或可能发生冷凝的情况，从而保持良好的隔热性能。玻璃布外壳进一步防止了水分侵入[48]。2.2.5. 材料比较表1总结了本研究中四种隔热材料的主要化学、物理、机械、吸湿性和热性能。比较突出了它们在组成、微观结构和性能上的内在差异，这些差异解释了它们在真空条件和添加石墨实验分析中的不同表现（见表1）。信息来源于制造商的数据表。表1. 研究中四种隔热材料的比较性能（来源：作者）。| 材料 | Spaceloft? | Slentex? | Pyrogel? | Microtherm? |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| 主要化学相 | 非晶硅气凝胶（SiO2） | 热解硅（SiO2） | | |
| 辅助成分（增强材料） | 玻璃纤维 | 矿物/玻璃纤维（不可燃） | 高温玻璃或矿物纤维 | 氧化铝纤维（Al2O3）或玻璃纤维 |
| 有机含量 | 低（聚合物纤维粘合剂） | 可忽略不计 | 无 | 无 |
| 微观结构 | 纳米多孔气凝胶网络 | 纳米多孔致密气凝胶网络 | 纳米多孔气凝胶网络 | 微孔致密硅基质 |
| 孔径范围 | <100 nm | <1 μm | | |
| 体积密度 ρ (kg·m?3) | ≈150 | ≈180 | ≈220 | ≈300 |
| 机械性能 | 低压缩强度 | 改善的坚固性 | 高抗振动和循环性能 | 高压缩强度 |
| 防火等级 | CA2 | 不可燃 | | |
| 最高使用温度（°C） | ≈200 | ≈200–250 | >600 | 1100–1200 |
| 在约10–20°C下的热导率 λ (W/mK) | ≈0.020 | ≈0.019–0.021 | ≈0.028–0.035 | ≈0.020–0.025 |
| 辐射热传递抑制 | 固有的（气凝胶纳米孔） | 固有的 + 纤维散射 | 通过红外阻隔剂增强 | |
| 水蒸气渗透性 | 高 | 低–中等 | 低 | 低–中等 | 极低（疏水型） |
| 吸水性 | 中等 | 低–中等 | 极低 | 低（疏水型） |
| 吸湿敏感性 | 中等 | 中等–低 | 极低 | 极低 |
| 典型形式 | 柔性毯 | 刚性板 | | |
| 主要应用领域 | 建筑围护结构、历史建筑改造 | 防火建筑围护结构 | 工业管道、能源系统 | 炉子、窑炉、高温隔热 |

3. 方法
3.1. 热导率测量，使用Netzsch Lambda HFM 446测量仪器：气凝胶非织造布、聚合物、隔热材料等多种材料的热导率是通过Netzsch Lambda HFM 446设备测量的。该设备符合DIN EN 12664、DIN EN 12667、ISO 8301、ASTM C518和JIS A1412标准。它采用稳态热流计（HFM）方法进行测量[49]。制造商提供了两种查看测量结果的方式：将设备连接到台式电脑上在实验室外查看结果，或通过设备内置打印机打印纸质报告。根据仪器参数，可以使用20厘米×20厘米的加热板和冷却板来装载待测材料，测试区域位于两层材料的中间，尺寸为10厘米×10厘米。设备内置厚度测量组件，利用位移传感器和倾斜仪补偿非平行表面，提供精确的样品厚度测量。样品可以在0.7至15千帕的负载下进行测试。根据制造商的建议，纤维样品应在2千帕的负载下进行测量。在所有情况下，实际厚度是在对纯样品和真空样品施加2千帕负载后测得的。通过加热这些板材还可以获得适当的温差。设备的精度小于2%。最终结果由两个板材上的精密温度计确定。测量时从每种气凝胶中切出17厘米×17厘米的样品，因为真空袋无法容纳更大的样品。由于不预期湿度的影响，测量前需将样品干燥，使用的是Venticell 111快速精确实验室干燥箱[50]。Venticell 111的容量为111升，最高温度可达250/300°C，能确保材料干燥、加热或灭菌所需的均匀温度分布。开门后，设备可快速平衡内部温度，操作经济高效，特别适合高湿度材料。它可以连接到打印机或电脑[51]。
3.2. SilverCrest真空包装系统：样品使用输出功率为125瓦的真空发泡机（SV 125 C6）进行真空处理。该设备的最大工作长度为300毫米，即可以密封的塑料长度。使用0.75巴的真空泵抽出空气。SV 125 C6通过抽气和热封工艺工作。流程如下：(1) 从袋中抽出空气，(2) 内部压力降至约0.6-0.8巴，(3) 袋材紧贴样品，(4) 加热条熔化塑料层（约150°C），(5) 形成气密接缝。盖子关闭后，机械夹具确保正确对齐和稳定的真空室压力。设备使用隔膜真空泵，并在真空循环中工作。为保护样品，使用了聚酰胺-聚乙烯复合材料的塑料袋，厚度为0.3毫米。需要注意的是，我们制备的真空样品仅部分真空，而市场上销售的VIP面板具有更低的压力和更低的面板中心热导率。
3.3. 测量步骤：样品干燥至恒定重量后，我们测量了它们的重量以及边长和宽度。然后使用Netzsch Lambda HFM 446测量仪器在实验室中测量每种气凝胶的热导率。接下来，使用3.2节中介绍的商用真空包装机对样品进行真空处理。真空处理后，再次测量热导率系数。之后，通过添加约1克的石墨颗粒重新制备样品。每种情况测量三个样品，并取平均值，这些数据将用于温度函数（图1、图2、图3、图4）。

4. 结果与讨论
以下部分展示了λ测量的结果：
- 纯气凝胶（第4.1节）
- 真空处理后的气凝胶（第4.2节）
- 纯气凝胶与真空处理后气凝胶的比较（第4.3节）
- 添加石墨后的气凝胶（第4.5节）

4.1. 纯气凝胶的λ测量
在测试之前，测量了所研究样品的主要几何和质量相关参数，并计算了平均值，结果列在表2中。所有样品的平面尺寸和厚度都经过校准，以确保λ测量过程中的边界条件一致并减少边缘效应。尺寸（长度和宽度）使用校准的数字卡尺测量，质量使用精密实验室天平确定。样品厚度在多个点进行测量并取平均值，以考虑表面不规则性，尤其是对于柔性气凝胶毯。材料的各项关键性能见表2。

表2. 初始平均值（来源：作者）
| 材料 | Microtherm | Pyrogel | Spaceloft | Slentex |
| --- | --- | --- | --- |
| 长度 [cm] | 16.9 | 17.0 | 17.3 | 17.1 |
| 宽度 [cm] | 17.0 | 17.2 | 17.1 | 17.1 |
| 重量 [g] | 58.9 | 59.5 | 59.5 | 59.8 |
| 厚度 [cm] | 5.8 | 5.5 | 5.5 | 5.6 |
四种类型的气凝胶各取三个样品进行测量。平均测量结果见图5和图6。

图5. 纯样品的热导率[52]。

图6. 纯样品的λ对温度的敏感性（来源：作者）。

在测量过程中，测量仪器在三个不同的温度步骤下工作，ΔT保持恒定为20°C。图5显示了0°C、10°C和20°C时λ作为温度的函数。在整个测试温度范围内，Slentex的λ最低，平均温度为10°C时约为0.018 mW/mK。其优化的硅气凝胶网络和致密的不可燃纤维增强材料有效限制了固态导热和辐射热传递。相比之下，Pyrogel在常温下的热导率较高，这是由于其较高的纤维含量和结构坚固性；而Spaceloft的λ值略高，与其较低的密度和较高的透气性相符。Microtherm在所有材料中具有最高的λ值，约为0.025 mW/mK，这归因于其刚性的微孔结构、较高的密度以及专为极端温度环境设计的配方。这项研究是作者在参考文献[52]中工作的延续。

4.1.1. 使用ISO 10456标准估算温度依赖性，即λ的温度转换
该标准提供了一种方法，用于评估两个平均温度（T0和Ti）之间的λ变化，使用温度转换因子FT和温度系数fT。关系式表示为：
(1) lT = l0 × FT
其中FT为：
(2) FT = exp(fT × (T0 - Ti)
通过对公式(1)应用自然对数，可以将公式(2)重写为线性形式：
(3) ln(lT/l0) = fT × ΔT
其中ΔT = (T0 - Ti)
通过公式(3)绘制的函数斜率，可以确定所研究样品的温度转换系数fT[33]。
图6和图8显示了计算和绘制的样品温度转换系数。正如预期的那样，热膨胀系数较高的材料表现出更强的温度依赖性。
图6展示了在常压下，所研究隔热材料的λ对温度的敏感性，表示为ln(λ/λ0)作为温度的函数。该模型强调了每种材料的主要热传递机制，并允许独立于绝对基线值直接比较λ随温度的变化。从线性回归中获得的强决定系数（R2 = 0.99）表明，在所研究的范围内（0-20°C），λ随温度的增加而明显且几乎呈线性增长，适用于所有材料。这种行为与多孔和纳米多孔绝缘系统一致，在这些系统中，λ的温度依赖性主要由辐射热传递的增加所驱动，而在较小程度上由温度依赖的固相传导所驱动。拟合曲线的斜率存在显著差异，这些斜率量化了λ的温度敏感性。Slentex和Spaceloft显示出最高的斜率（分别约为0.00207 K?1和0.00204 K?1），表明λ随温度的增加而相对增加得更多。这种行为可以归因于它们高度多孔的气凝胶结构以及为柔韧性和低密度而优化的纤维增强。虽然这种结构在低温下非常有效地限制了传导，但随着温度的升高，它允许辐射贡献逐渐增加。由于其更密集的结构和更高的纤维含量，Pyrogel的敏感性较低（约为0.00164 K?1），但代价是基线λ值较高。这证实了Pyrogel的配方更注重在高温和工业操作条件下的热稳定性和性能，而不是在接近环境温度时的最小λ值。尽管Microtherm在测试材料中具有最高的绝对λ值，但其温度敏感性最低（约为0.00109 K?1）。这种较低的敏感性与其紧凑的微孔结构和红外遮光剂的存在一致，这些因素即使在温度升高时也能有效限制辐射热传递。因此，λ随温度的增加而增加得较为温和，这证实了该材料适用于辐射效应占主导地位的高温应用。总体而言，结果表明，虽然基于气凝胶的毯子在低温下实现了最低的λ值，但其性能对温度变化的敏感度高于刚性、经过遮光的微孔材料（图6）。

以下是翻译后的中文文本：

从线性回归中获得的强决定系数（R2 = 0.99）表明，在所研究的范围内（0-20°C），所有材料的λ值都随着温度的升高而明显且几乎呈线性增长。这种行为与多孔和纳米多孔绝缘系统一致，在这些系统中，λ的温度依赖性主要由辐射热传递的增加所驱动，而在较小程度上由温度依赖的固相传导所驱动。拟合曲线的斜率存在显著差异，这些斜率量化了λ的温度敏感性。Slentex和Spaceloft显示出最高的斜率（分别约为0.00207 K?1和0.00204 K?1），表明λ随温度的增加而相对增加得更多。这种行为可以归因于它们高度多孔的气凝胶结构以及为柔韧性和低密度而优化的纤维增强。虽然这种结构在低温下非常有效地限制了传导，但随着温度的升高，它允许辐射贡献逐渐增加。由于其更密集的结构和更高的纤维含量，Pyrogel的敏感性较低（约为0.00164 K?1），但代价是基线λ值较高。这证实了Pyrogel的配方更注重在高温和工业操作条件下的热稳定性和性能，而不是在接近环境温度时的最小λ值。尽管Microtherm在测试材料中具有最高的绝对λ值，但其温度敏感性最低（约为0.00109 K?1）。这种较低的敏感性与其紧凑的微孔结构和红外遮光剂的存在一致，这些因素即使在温度升高时也能有效限制辐射热传递。因此，λ随温度的增加而增加得较为温和，这证实了该材料适用于辐射效应占主导地位的高温应用。总体而言，结果表明，虽然基于气凝胶的毯子在低温下实现了最低的λ值，但其性能对温度变化的敏感度高于刚性、经过遮光的微孔材料（图6）。

接下来定义了一个简化的模型，用于计算非均匀（蜂窝状或纤维状）绝缘材料的整体实际或总热导率值。蜂窝状、纤维状或多孔（充气）绝缘材料的热传递可以分为四类：
(4) λt = λc,s + λc,g + λr + λconv

以下是对各部分的解释：
- λc,s：固体颗粒之间的化学键合、原子和分子之间的热传递（晶格振动或声子）以及其他过程。
- λc,g：气体分子之间的热传导系数，当其组成分子相互碰撞时发生。
- λr：材料表面发出的红外电磁辐射可以与辐射部分相关联。
- λconv：对流指的是空气和湿气的运动或产生热量的材料的传递。这些值受温度和压力的影响，特别是与气体相关的热导率成分。当泡沫材料的密度（孔径）降低时，对流项变为零且可以忽略不计。

在气凝胶中，除了气体对流步骤外，大多数过程都可以发生。对于许多气凝胶——尤其是在室温和以上温度——辐射部分变得显著。由于气凝胶具有极高的孔隙率（90-99%）、纳米级的孔结构、非常低的密度以及高红外光学透明度，允许红外热辐射相对容易地通过孔隙传播，因此辐射部分在热传递中起着重要作用。材料的高孔隙率阻碍了声子的传播，减少了通过固体框架的热传导。这种现象在气凝胶的骨架中可见。气体分子之间的弹性碰撞决定了气体的状态。气相的热传导能力受到孔内分子平均自由路径大小和孔径的影响。为了使气凝胶成为有效的热绝缘体，其λ值必须低于23°C和105 Pa压力下的自由环境空气（0.025 W/mK）。如果孔径小于空气分子的平均自由路径（约70 nm），则可以实现这一点，从而防止气体通过材料的热扩散。降低压力也可以达到这一效果。Knudsen数定义为平均自由路径与孔径的比值，它表示平均自由路径与孔径的比率，这大大减少了气相的热传递。

4.2 真空气凝胶的λ值测量
在实验的第二阶段，之前基于气凝胶的材料被转换为真空绝缘配置。每个样品都被封装在气密真空箔中，并抽真空以抑制气相热传递机制。真空封装过程包括将绝缘材料折叠、用适当的粘合剂密封在箔内并粘合焊接的边缘。粘合剂完全固化后，使用与未真空样品相同的Netzsch设备和测量协议重复进行λ值测量。表3报告了所得真空箔样品的几何和质量相关参数。

表3. 真空箔材料的平均参数（来源：作者）

| 标记 | 长度 [cm] | 宽度 [cm] | 重量 [g] | 厚度 [cm] |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| Microtherm | 16.9 | 17.0 | 59 | 7.9 | 1.0 |
| Pyrogel | 17 | 17.25 | 68 | 3.0 | 0.8 |
| Spaceloft | 17 | 17.3 | 55 | 0.9 | 4.7 |
| Slentex | 17 | 17.15 | 52.5 | 1.0 | 1 |

图7和图8展示了真空样品的测量λ值及其温度依赖性。正如预期的那样，与初始非真空状态相比，真空处理导致所有研究材料的λ值在整个温度范围内系统性地降低。

图7显示，在真空条件下，所有材料的λ值收敛到一个比非真空条件更窄的范围内。尽管如此，材料之间的明显差异仍然存在。Microtherm继续表现出最高的λ值，而Slentex和Spaceloft在接近环境温度时显示出最低的值。Pyrogel表现出中间的行为，这与它的更密集结构和更高的纤维含量一致（图7）。

图8分析了真空条件下λ的温度敏感性，其中ln(λ/λ0)作为温度的函数绘制。所有材料观察到的线性趋势表明，即使在大气压降低的情况下，λ仍随温度增加（R2 ≈ 0.99）。拟合曲线的斜率通常高于非真空样品的斜率，这表明一旦气体传导被大幅抑制，辐射热传递成为主导机制。

真空面板之所以具有较低的λ值，是因为它们不包含空气或气体。VIP的制造过程包括几个简单的步骤。首先，将核心材料压入特定模具中，迫使所有空气排出。

真空样品的热导率（如方程（4）所示，可以用方程（5）表示：
(5) λt = λc,s + λc,g + λr + λconv
在这个方程中，气体热导率的对流和传导部分可以减少。应该注意的是，我们的样品中创建了部分真空，其压力比大气压低40%。还应强调的是，与气体部分相关的热导率因子明显降低。

4.3 纯气凝胶和真空气凝胶的λ值比较
比较真空处理前后测量的λ值显示，所有材料的λ值都有所下降。通过将初始λ系数与真空处理后的值进行比较，可以确定λ的百分比降低（图9）。Pyrogel和Microtherm表现出最显著的改进，降低幅度超过15%，而Spaceloft和Slentex仅表现出约3%的降低。有趣的是，百分比变化随测量温度的增加而增加。热导率的温度依赖性可能是造成这一现象的原因。百分比变化是通过非真空样品和真空样品的热导率之比计算得出的。

4.4 添加石墨的气凝胶的λ值测量
由于石墨优异的热性能，添加石墨的某些传统绝缘材料越来越多地应用于建筑领域。特别是添加了石墨的膨胀聚苯乙烯（EPS），其热导率（λ）比标准EPS低15-30%，这是因为石墨能够吸收和散射聚苯乙烯孔隙内的热辐射。石墨强烈吸收导致气凝胶内辐射热传递的红外波长。石墨片还提供了其他优势，包括更好的抗虫害和防潮性能，以及更高的抗压强度和刚性。其主要缺点是在直射阳光下可能会变得非常热，有些来源声称绝缘材料的温度可达到70°C。例如，商用EPS的λ值为0.038 W/mK，而添加石墨的版本为0.031 W/mK，比初始非真空状态降低了近20%。

方程（6）可用于定义热传导的辐射部分：
(6) λr = 16nt2T3/3αR
其中，nt是折射率；σ是Stefann-Boltzmann常数（5.67 × 10?? W/(m2K?)；αR是Rosseland平均吸收系数。材料的辐射特性主要由其消光系数和折射率决定。

使用膨胀聚苯乙烯泡沫可以有效进行建筑物的热绝缘。这种材料成本效益高，现在价格最低。由于添加了微米级石墨粉末，添加了石墨的聚苯乙烯泡沫片的热导率比不含石墨的EPS片低20%，因此在建筑行业中得到广泛应用[53][54][55]。

因此，进行了一项实验，以确定石墨掺杂是否改善了我们研究的气凝胶制成的真空面板的热绝缘性能。测量是在相同的样品上进行的。首先拆开真空面板，然后将其放入干燥机中，在50°C下干燥。干燥后再次测量其质量，并将其放入热导率测量装置中。将这些测量结果与之前的测量结果平均，以获得更多数据并得到更准确的结果。之后，添加了石墨。通过将细石墨粉末撒在每个样品上来进行石墨掺杂，每样品的最大添加量为1克。掺杂后再次称重样品，抽真空并重新测量其热导率。由于石墨颗粒细小，对于纤维状或多孔样品来说，石墨的粘附较为困难。在这种情况下，使用滚筒将石墨嵌入纤维中，然后抽真空，以确保分布均匀。表4总结了每个气凝胶样品在抽真空前添加的石墨粉末的质量。

表4. 测试气凝胶样品添加的石墨粉末的平均重量（来源：作者）

表5. 添加石墨粉末后真空涂层材料的参数（来源：作者）

| 标记 | 长度 [cm] | 宽度 [cm] | 重量 [g] | 厚度 [cm] |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| Microtherm | 17.1 | 16.5 | 59 | 8.9 | 1.0 |
| Pyrogel | 17 | 17.25 | 69 | 2.0 | 0.8 |
| Spaceloft | 17 | 17.15 | 9.5 | 5.0 | 0.9 |
| Slentex | 17 | 17.35 | 51.2 | 0.9 | 1 |

图10、图11、图12和图13展示了真空样品和添加了石墨的真空样品的照片。

图7显示，在真空条件下，所有材料的λ值收敛到一个比非真空条件更窄的范围内。尽管如此，材料之间的明显差异仍然存在。Microtherm继续表现出最高的λ值，而Slentex和Spaceloft在接近环境温度时显示出最低的值。Pyrogel表现出中间的行为，这与它的更密集结构和更高的纤维含量一致。

图8分析了真空条件下λ的温度敏感性，其中ln(λ/λ0)作为温度的函数绘制。所有材料观察到的线性趋势表明，即使在大气压降低的情况下，λ仍随温度增加（R2 ≈ 0.99）。拟合曲线的斜率通常高于非真空样品的斜率，这表明一旦气体传导被大幅抑制，辐射热传递成为主导机制。

真空面板之所以具有较低的λ值，是因为它们不包含空气或气体。VIP的制造过程包括几个简单的步骤。首先，将核心材料压入特定模具中，迫使所有空气排出。

真空样品的热导率（如方程（4）所示，可以用方程（5）表示：
(5) λt = λc,s + λc,g + λr + λconv
在这个方程中，气体热导率的对流和传导部分可以减少。应该注意的是，我们的样品中创建了部分真空，其压力比大气压低40%。还应强调的是，与气体部分相关的热导率因子明显降低。

4.3 纯气凝胶和真空气凝胶的λ值比较
比较真空处理前后测量的λ值显示，所有材料的λ值都有所下降。通过将初始λ系数与真空处理后的值进行比较，可以确定λ的百分比降低（图9）。Pyrogel和Microtherm表现出最显著的改进，降低幅度超过15%，而Spaceloft和Slentex仅表现出约3%的降低。有趣的是，百分比变化随测量温度的增加而增加。热导率的温度依赖性可能是造成这一现象的原因。百分比变化是通过非真空样品和真空样品的热导率之比计算得出的。

4.4 添加石墨的气凝胶的λ值测量
由于石墨的优异热性能，添加石墨的某些传统绝缘材料在建筑应用中越来越受欢迎。特别是添加了石墨的膨胀聚苯乙烯（EPS），其热导率（λ）比标准EPS低15-30%，这是因为石墨能够吸收和散射聚苯乙烯孔隙内的热辐射。石墨片中断了直射的辐射路径。此外，它还提供了其他优势，包括更好的抗虫害和防潮性能，以及更高的抗压强度和刚性。其主要缺点是在直射阳光下可能会变得非常热，有些来源声称绝缘材料的温度可达到70°C。例如，商用EPS的λ值为0.038 W/mK，而添加石墨的版本为0.031 W/mK，比初始非真空状态降低了近20%。

使用石墨可以减少通过聚苯乙烯孔隙的辐射热传递，从而改善材料的λ值。

方程（6）可用于定义热传导的辐射部分：
(6) λr = 16nt2T3/3αR
其中，nt是折射率；σ是Stefann-Boltzmann常数（5.67 × 10?? W/(m2K?)；αR是Rosseland平均吸收系数。材料的辐射特性主要由其消光系数和折射率决定。

使用膨胀聚苯乙烯泡沫可以有效进行建筑物的热绝缘。这种材料成本效益高，现在价格最低。由于添加了微米级石墨粉末，添加了石墨的聚苯乙烯泡沫片的热导率比不含石墨的EPS片低20%，因此在建筑行业中得到广泛应用[53][54][55]。

因此，进行了一项实验，以确定石墨掺杂是否改善了我们研究的气凝胶制成的真空面板的热绝缘性能。测量是在相同的样品上进行的。首先拆开真空面板，然后将其放入干燥机中，在50°C下干燥。干燥后再次测量其质量，并将其放入热导率测量装置中。将这些测量结果与之前的测量结果平均，以获得更多数据并得到更准确的结果。之后，完成测量后添加了石墨。通过将细石墨粉末撒在每个样品上来进行石墨掺杂，每样品的最大添加量为1克。掺杂后再次称重样品，抽真空并重新测量其热导率。由于石墨颗粒细小，对于纤维状或多孔样品来说，石墨的粘附较为困难。在这种情况下，使用滚筒将石墨嵌入纤维中，然后抽真空，以确保分布均匀。

表4总结了每个气凝胶样品在抽真空前添加的石墨粉末的质量。

表4. 测试气凝胶样品添加的石墨粉末的平均重量（来源：作者）

表5. 添加石墨粉末后真空涂层材料的参数（来源：作者）

| 标记 | 长度 [cm] | 宽度 [cm] | 重量 [g] | 厚度 [cm] |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| Microtherm | 17.1 | 16.5 | 59 | 8.9 | 1.0 |
| Pyrogel | 17 | 17.25 | 69 | 2.0 | 0.8 |
| Spaceloft | 17 | 17.15 | 9.5 | 5.0 | 0.9 |
| Slentex | 17 | 17.35 | 51.2 | 0.9 | 1 |

图10、图11、图12和图13展示了真空样品和添加了石墨的真空样品的照片。

图7显示，在真空条件下，所有材料的λ值收敛到一个比非真空条件更窄的范围内。尽管如此，材料之间的明显差异仍然存在。Microtherm继续表现出最高的λ值，而Slentex和Spaceloft在接近环境温度时显示出最低的值。Pyrogel表现出中间的行为，这与它的更密集结构和更高的纤维含量一致。

图8分析了真空条件下λ的温度敏感性，其中ln(λ/λ0)作为温度的函数绘制。所有材料观察到的线性趋势表明，即使在大气压降低的情况下，λ仍随温度增加（R2 ≈ 0.99）。拟合曲线的斜率通常高于非真空样品的斜率，这表明一旦气体传导被大幅抑制，辐射热传递成为主导机制。

真空面板之所以具有较低的λ值，是因为它们不包含空气或气体。VIP的制造过程包括几个简单的步骤。首先，将核心材料压入特定模具中，迫使所有空气排出。

真空样品的热导率（如方程（4）所示，可以用方程（5）表示：
(5) λt = λc,s + λc,g + λr + λconv
在这个方程中，气体热导的对流和传导部分可以减少。应该注意的是，我们的样品中创建了部分真空，其压力比大气压低40%。还应强调的是，与气体部分相关的热导率因子明显降低。

4.3 纯气凝胶和真空气凝胶的λ值比较
比较真空处理前后测量的λ值显示，所有材料的λ值都有所下降。通过将初始λ系数与真空处理后的值进行比较，可以确定λ的百分比降低（图9）。Pyrogel和Microtherm表现出最显著的改进，降低幅度超过15%，而Spaceloft和Slentex仅表现出约3%的降低。有趣的是，百分比变化随测量温度的增加而增加。热导率的温度依赖性可能是造成这一现象的原因。百分比变化是通过非真空样品和真空样品的热导率之比计算得出的。

4.4 添加石墨的气凝胶的λ值测量
由于石墨的优异热性能，添加石墨的某些传统绝缘材料在建筑应用中越来越受欢迎。特别是添加了石墨的膨胀聚苯乙烯（EPS），其热导率（λ）比标准EPS低15-30%，这是因为石墨能够吸收和散射聚苯乙烯孔隙内的热辐射。石墨强烈吸收导致气凝胶内辐射热传递的红外波长。石墨片还提供了其他优势，包括更好的抗虫害和防潮性能，以及更高的抗压强度和刚性。其主要缺点是在直射阳光下可能会变得非常热，有些来源声称绝缘材料的温度可达到70°C。例如，商用EPS的λ值为0.038 W/mK，而添加石墨的版本为0.031 W/mK，比初始非真空状态降低了近20%。

使用石墨可以减少通过聚苯乙烯孔隙的辐射热传递，从而改善材料的λ值。

方程（6）可用于定义热传导的辐射部分：
(6) λr = 16nt2T3/3αR
其中，nt是折射率；σ是Stefann-Boltzmann常数（5.67 × 10?? W/(m2K?)；αR是Rosseland平均吸收系数。材料的辐射特性主要由其消光系数和折射率决定。

使用膨胀聚苯乙烯泡沫可以有效进行建筑物的热绝缘。这种材料成本效益高，现在价格最低。由于添加了微米级石墨粉末，添加了石墨的聚苯乙烯泡沫片的热导率比不含石墨的EPS片低20%，因此在建筑行业中得到广泛应用[53][54][55]。

因此，进行了一项实验，以确定石墨掺杂是否改善了我们研究的气凝胶制成的真空面板的热绝缘性能。测量是在相同的样品上进行的。首先拆开真空面板，然后将其放入干燥机中，在50°C下干燥。干燥后再次测量其质量，并将其放入热导率测量装置中。将这些测量结果与之前的测量结果平均，以获得更多数据并得到更准确的结果。然后，完成测量后添加了石墨。通过将细石墨粉末撒在每个样品上来进行石墨掺杂，每样品的最大添加量为1克。掺杂后再次称重样品，抽真空并重新测量其热导率。由于石墨颗粒细小，对于纤维状或多孔样品来说，石墨的粘附较为困难。在这些情况下，使用滚筒将石墨嵌入纤维中，然后抽真空，以确保分布均匀。

表4总结了每个气凝胶样品在抽真空前添加的石墨粉末的质量。

表4. 测试气凝胶样品添加的石墨粉末的平均重量（来源：作者）

表5. 添加石墨粉末后真空涂层材料的参数（来源：作者）

| 标记 | 长度 [cm] | 宽度 [cm] | 重量 [g] | 厚度 [cm] |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| Microtherm | 17.1 | 16.5 | 59 | 8.9 | 1.0 |
| Pyrogel | 17 | 17.25 | 69 | 2.0 | 0.8 |
| Spaceloft | 17 | 17.15 | 9.5 | 5.0 | 0.9 |
| Slentex | 17 | 17.35 | 51.2 | 0.9 | 1 |

图10、图11、图12和图13展示了真空样品和添加了石墨的真空样品的照片。

图7显示，在真空条件下，所有材料的λ值收敛到一个比非真空条件更窄的范围内。尽管如此，材料之间的明显差异仍然存在。Microtherm继续表现出最高的λ值，而Slentex和Spaceloft在接近环境温度时显示出最低的值。Pyrogel表现出中间的行为，这与它的更密集结构和更高的纤维含量一致。

图8分析了真空条件下λ的温度敏感性，其中ln(λ/λ0)作为温度的函数绘制。所有材料观察到的线性趋势表明，即使在大气压降低的情况下，λ仍随温度增加（R2 ≈ 0.99）。拟合曲线的斜率通常高于非真空样品的斜率，这表明一旦气体传导被大幅抑制，辐射热传递成为主导机制。

真空面板之所以具有较低的λ值，是因为它们不包含空气或气体。VIP的制造过程包括几个简单的步骤。首先，将核心材料压入特定模具中，迫使所有空气排出。

真空样品的热导率（如方程（4）所示，可以用方程（5）表示：
(5) λt = λc,s + λc,g + λr + λconv
在这个方程中，气体热导的对流和传导部分可以减少。应该注意的是，我们的样品中创建了部分真空，其压力比大气压低40%。还应强调的是，与气体部分相关的热导率因子明显降低。

4.3 纯气凝胶和真空气凝胶的λ值比较
比较真空处理前后测量的λ值显示，所有材料的λ值都有所下降。通过将初始λ系数与真空处理后的值进行比较，可以确定λ的百分比降低（图9）。Pyrogel和Microtherm表现出最显著的改进，降低幅度超过15%，而Spaceloft和Slentex仅表现出约3%的降低。有趣的是，百分比变化随测量温度的增加而增加。热导率的温度依赖性可能是造成这一现象的原因。百分比变化是通过非真空样品和真空样品的热导率之比计算得出的。

4.4 添加石墨的气凝胶的λ值测量
由于石墨的优异热性能，添加石墨的某些传统绝缘材料在建筑应用中越来越受欢迎。特别是添加了石墨的膨胀聚苯乙烯（EPS），其热导率（λ）比标准EPS低15-30%，这是因为石墨能够吸收和散射聚苯乙烯孔隙内的热辐射。石墨片还提供了其他优势，包括更好的抗虫害和防潮性能，以及更高的抗压强度和刚性。其主要缺点是在直射阳光下可能会变得非常热，有些来源声称绝缘材料的温度可达到70°C。例如，商用EPS的λ值为0.038 W/mK，而添加石墨的版本为0.031 W/mK，比初始非真空状态降低了近20%。

使用石墨可以减少通过聚苯乙烯孔隙的辐射热传递，从而改善材料的λ值。

方程（6）可用于定义热传导的辐射部分：
(6) λr = 16nt2T3/3αR
其中，nt是折射率；σ是Stefann-Boltzmann常数（5.67 × 10?? W/(m2K?)；αR是Rosseland平均吸收系数。材料的辐射特性主要由其消光系数和折射率决定。

使用膨胀聚苯乙烯泡沫可以有效进行建筑物的热绝缘。这种材料成本效益高，现在价格最低。由于添加了微米级石墨粉末，添加了石墨的聚苯乙烯泡沫片的热导率比不含石墨的EPS片低20%，因此在建筑行业中得到广泛应用[53][54][55]。

因此，进行了一项实验，以确定石墨掺杂是否改善了我们研究的气凝胶制成的真空面板的热绝缘性能。测量是在相同的样品上进行的。首先拆开真空面板，然后将其放入干燥机中，在50°C下干燥。干燥后再次测量其质量，并将其放入热导率测量装置中。将这些测量结果与之前的测量结果平均，以获得更多数据并得到更准确的结果。之后，添加了石墨。通过将细石墨粉末撒在每个样品上来进行石墨掺杂，每样品的最大添加量为1克。掺杂后再次称重样品，抽真空并重新测量其热导率。由于石墨颗粒细小，对于纤维状或多孔样品来说，石墨的粘附较为困难。在这些情况下，使用滚筒将石墨嵌入纤维中，然后抽真空，以确保分布均匀。

表4总结了每个气凝胶样品在抽真空前添加的石墨粉末的质量。

表4. 测试气凝胶样品添加的石墨粉末的平均重量（来源：作者）

表5. 添加石墨粉末后真空涂层材料的参数（来源：作者）

| 标记 | 长度 [cm] | 宽度 [cm] | 重量 [g] | 厚度 [cm] |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| Microtherm | 17.1 | 16.5 | 59 | 8.9 | 1.0 |
| Pyrogel | 17 | 17.25 | 69 | 2.0 | 0.8 |
| Spaceloft | 17 | 17.15 | 9.5 | 5.0 | 0.9 |
| Slentex | 17 | 17.35 | 51.2 | 0.9 | 1 |

图10、图11、图12和图13展示了真空样品和添加了石墨的真空样品的照片。

图14和图15展示了添加石墨后真空样品的平均λ值。

图14. 添加了石墨的真空样品的热导率（来源：作者）。

图15. 添加了石墨的真空样品的λ值对温度的敏感性（来源：作者）。

使用方程（1）和（3），也计算了添加了石墨的真空样品的λ值对温度的敏感性，结果在图15中呈现。基于图6、图7和图8的结果，我们收集了每种材料在所有情况下的fT值，并在表6中呈现。有趣的是，代表热导率随温度变化的fT值在真空处理后以及添加了石墨的样品经过真空处理后都有所增加（图16、图17a、图17b、图18a、图18b、图19a、图19b、图20a、图20b、图21、图22）。表6显示了样品的fT值（来源：作者）。

| 样品 | Microtherm | Slentex | Spaceloft | Pyrogel |
|--------------|---------|---------|---------|---------|
| T0 | 0.0010 | 0.0020 | 0.0020 | 0.0016 |
| Microtherm-真空处理 | 0.0026 | 0.0029 | 0.0032 | 0.0029 |
| Microtherm-添加石墨 | 0.0026 | 0.0031 | 0.0028 | 0.0027 |
| Slentex-真空处理 | 0.0026 | 0.0031 | 0.0028 | 0.0027 |
| Slentex-添加石墨 | 0.0026 | 0.0031 | 0.0028 | 0.0027 |
| Spaceloft-真空处理 | 0.0026 | 0.0031 | 0.0028 | 0.0027 |
| Spaceloft-添加石墨 | 0.0026 | 0.0031 | 0.0028 | 0.0027 |

图16显示了经过真空处理和添加石墨后，所测试绝缘材料的λ值百分比降低情况（来源：作者）。
图17a和图17b分别展示了Microtherm样品和添加了石墨的Microtherm样品的表面情况。
图18a和图18b分别展示了Spaceloft样品和添加了石墨的Spaceloft样品的表面情况。
图19a和图19b分别展示了Pyrogel样品和添加了石墨的Pyrogel样品的表面情况。
图20a和图20b分别展示了Slentex样品和添加了石墨的Slentex样品的表面情况。
图21展示了含有石墨片的Pyrogel的光学显微图像。
图22展示了含有石墨片的Microtherm的光学显微图像。

接下来，我们将未进行真空处理的绝缘材料的平均λ系数与添加石墨并经过真空处理后的平均λ系数进行了比较。通过计算未真空处理样品和添加石墨后真空处理样品的热导率之比，可以得到图中所示的λ系数相对于初始非真空状态下的热导率值的百分比降低。

值得注意的是，通过在气凝胶样品中添加石墨后再进行真空处理，所有材料的λ值都相对于其初始非真空状态下降了5%到13%。回顾这些数据，我们将添加了石墨的真空面板样品的λ系数与之前仅进行真空处理的样品的λ系数进行了比较。结果表明，这两种材料的λ值都更低。其中，Spaceloft和Slentex的λ值下降幅度更大（分别增加了4%和1.5%）。Slentex也被称为Spaceloft A2，由于这两种材料的结构非常相似（但不完全相同），它们对添加石墨的反应也相似。这两种材料具有更高的纤维密度，石墨颗粒能够更深入地渗透到纤维中；而Microtherm和Pyrogel是密度较低的材料，石墨颗粒主要积聚在样品表面。在添加石墨前后，这些绝缘材料都经过了光学显微镜检查（见图17-20）。从这些图像可以看出，石墨只能附着在密度较高、颗粒较大的材料（Microtherm和Pyrogel）的表面，而在其他两种气凝胶中，石墨颗粒可以渗透到绝缘材料的内部。我们认为，样品的λ值相对于仅进行真空处理的样品发生变化是由于结构差异所致，但需要进一步研究以确定具体影响因素。

为了证明添加石墨片后热导率变化的解释，我们提供了约25倍放大的光学显微图像。从图23和图24可以看出，石墨片在样品的纤维结构中渗透得更深，导致热导率降低幅度更大。在Pyrogel和Microtherm中，石墨主要积聚在表面，可能形成了新的热传导路径。然而，石墨颗粒的分布不均匀也是一个限制因素。

**结论**
本研究考察了四种不同商用气凝胶基绝缘材料在原始状态、真空条件以及添加石墨后的热导率性能（λ）。实验结果表明，所有研究策略都能降低气凝胶基绝缘系统的λ值，但其效果很大程度上取决于材料本身的性质和微观结构特征。真空处理显著降低了所有材料的热导率，证实了即使在高度多孔的绝缘系统中，气相传导也起着重要作用。热导率降低的程度因材料而异：密度较高的Microtherm和Pyrogel热导率降低了超过15%，表明在常压下气相传导在其总热传输中占较大比例；而经过优化的纳米多孔气凝胶（如Slentex和Spaceloft）的热导率降低幅度较小（约3-10%），这是因为它们的微观结构有效抑制了气相传导。添加石墨后，这两种材料的λ值进一步降低，其中Spaceloft降低了4%，Slentex降低了约1.5%。

总体而言，真空处理带来的热性能提升与材料的初始λ值成反比：初始λ值较高的绝缘系统具有更大的改进潜力，而接近气凝胶性能极限的材料则提升效果有限。

本研究存在一些局限性：首先，实验仅针对有限数量的商业产品和样品配置进行，可能无法全面反映气凝胶配方的多样性；其次，未系统监测真空程度和长期真空稳定性，因此尚需评估性能提升的持久性；此外，对石墨含量和颗粒分布的影响仅进行了定性分析，未优化添加量和分散机制。此外，“将细石墨粉撒在样品上”的方法过于粗糙，无法保证分布均匀性和与基体的结合效果，这可能是石墨在Pyrogel和Microtherm中效果不佳的原因。未来的研究应关注长期老化行为、真空保持性、实际使用条件下的机械耐久性，以及辐射阻隔剂的优化和混合核心结构的设计。还需要在组件和系统层面进行更深入的研究，包括环境和生命周期评估，以评估再生解决方案在建筑和工业应用中的可行性。

**样品的适用性**
在空间受限的区域（如窗户、管道、车辆电池组），薄层绝缘材料（如气凝胶毯或专用涂层）可用于大幅降低热传导。这可以提高能源效率、舒适性和安全性，同时不会增加体积，有助于防止电池过热或建筑物热量损失等问题。这种材料非常适合用于建筑、交通（电动汽车）和工业领域的改造和高性能应用，因为它能在薄层中提供强大的隔热性能。通过广泛使用气凝胶真空绝缘材料，可以显著改善建筑物、建筑系统、车辆甚至冷却器的隔热效果。

**作者贡献声明**
ákos Lakatos：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、软件使用、资源管理、方法论设计、研究实施、资金获取、数据分析、概念构建。
ákos Szabó：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、软件使用、资源管理、方法论设计、研究实施、资金获取、数据分析、概念构建。
Elena Lucchi：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法论设计、数据分析。