隔热材料的制备、结构及应用研究进展

摘要

随着全球能源消耗与温室气体排放问题的加剧，开发高效环保的隔热材料成为材料科学领域的研究重点。本文系统综述了近年来隔热材料在制备工艺、微观结构及应用场景的研究进展，重点分析了有机、无机及有机-无机杂化气凝胶与泡沫材料的结构特性及隔热性能，通过对比导热系数、耐温性等关键参数，梳理了不同材料体系的适用场景。研究表明，多尺度结构设计、仿生学原理与可持续材料的结合是提升隔热性能的核心路径。未来，需进一步解决极端环境下的稳定性、规模化制备成本及多功能集成等挑战。 

关键词：隔热材料；气凝胶；导热系数；孔隙率；仿生结构；可持续材料  

1. 引言  

热传递的普遍存在推动了隔热材料在建筑、工业、航空航天等领域的广泛应用。传统隔热材料（如聚苯乙烯泡沫）因高能耗、低耐温性等缺陷，难以满足现代节能环保需求。数据显示，全球近30%的能源消耗与建筑物供暖制冷相关，开发高性能隔热材料成为降低碳排放的关键途径。本文结合最新研究，从分类、制备、结构优化及应用等方面综述隔热材料的进展。 

2. 隔热材料的分类与制备方法  

2.1 材料分类  

根据化学组成，隔热材料可分为三类： 

• 有机材料：以聚氨酯（PUR）、聚酰亚胺（PI）为代表，导热系数20–100 mW/(m·K)，柔性好但耐高温性不足（如PUR泡沫耐温≤120℃）。  

• 无机材料：包括陶瓷气凝胶（如SiO₂-TiO₂）、碳气凝胶，导热系数低至10–20 mW/(m·K)，耐高温（如陶瓷泡沫可承受>1000℃高温）但机械脆性显著。  

• 有机-无机杂化材料：通过氢键、界面互锁等机制结合两者优势，如间位芳纶/氟化空心玻璃微球气凝胶导热系数21.6 mW/(m·K)，兼具柔韧性与高温稳定性。

表：常见隔热材料和相关性能

2.2 制备工艺  

• 气凝胶制备：溶胶-凝胶法结合超临界干燥是主流工艺，水热辅助干燥（HAD）等改进技术可调控孔隙结构。例如，HAD工艺制备的SiO₂-TiO₂气凝胶导热系数较传统方法降低40.6%，室温下为44.0 mW/(m·K)。  

  表：不同气凝胶复合材料的制备工艺比较

  

• 泡沫材料制备：液氮汽化法、微模板法等技术用于控制泡孔尺寸。聚酰亚胺纳米纤维泡沫（PINF）通过液氮汽化制备，孔隙率90.2%，导热系数24.0 mW/(m·K)。  

• 仿生与多尺度设计：仿珍珠层多拱形结构通过界面拓扑互锁降低导热系数至39.7 mW/(m·K)，微/纳米纤维气凝胶因99.7%超高孔隙率显著抑制热传导。  

3. 隔热材料的结构优化与性能提升  

3.1 关键结构参数  

• 孔隙率与孔径：孔隙率≥90%且孔径<100 nm时，气体对流与固体传导显著减弱。例如，静电纺丝制备的微/纳米纤维气凝胶孔隙率达99.7%，导热系数低至12.7 mW/(m·K)。  

• 多尺度结构：三维层状结构（纤维层间距12.5–35.8 μm）使固体导热系数（λsolid）降至18.7 mW/(m·K)，分级多孔陶瓷气凝胶在2000℃高温下仍保持隔热性能。  

• 仿生结构：仿孤雌草卷须的卷曲纳米纤维气凝胶拉伸应变达150%，导热系数仅增加3.1%，突破“隔热-力学”性能权衡难题。  

3.2 热传导抑制机制  

• 路径调控：长程层状结构（如碳基气凝胶）通过延长热传导路径降低λsolid，介孔结构（如SiO₂/蒙脱土复合气凝胶）通过声子散射缩短平均自由程至2.3 nm。  

• 辐射与对流抑制：SiC纳米线作为红外遮光剂可使λrad贡献减少42%，封闭纳米孔（如间位芳纶气凝胶）通过克努森效应抑制气体分子运动。  

4. 隔热材料的应用场景  

4.1 建筑节能领域  

• 墙体与屋顶保温：SiO₂气凝胶微球嵌入聚偏氟乙烯膜可实现建筑表面辐射冷却，在885.56 W/m²辐照下昼间降温11.2℃；生物质纤维素气凝胶年节能达23.1 kWh/m²，适配不同气候带需求。  

• 可持续材料：纤维素/木质素复合气凝胶因面包状结构保护内部多孔体系，导热系数28.5 mW/(m·K)，适用于临时建筑与热带隔热。  

4.2 航空航天与热防护  

• 航天器热保护：硅化纳米复合气凝胶通过凝胶约束冷冻铸造技术形成拓扑弹性结构，1000℃下导热系数稳定在21.3 mW/(m·K)，可承受航天器再入大气层的瞬态高温。  

• 电池热管理：3D打印PI/SAP复合气凝胶在-50℃至1300℃宽温域稳定隔热，2 mm厚保护壳使锂电池在-20℃环境下维持13℃工作温度。  

4.3 可穿戴防护与电子设备  

l个人防护衣物：聚氨酯@纤维素纳米纤维气凝胶厚度9 mm时等效40 mm鹅绒保温效果，富勒烯圆顶结构赋予超弹性与自清洁功能，适用于消防服与太空服。  

l柔性热管理：仿生透明气凝胶透光率89%，可使CPU降温15℃，为可穿戴电子设备提供柔性热管理方案。  

图 隔热材料在建筑、航天、电池、防护衣物等领域的多功能应用研究。(a)以气凝胶为外围护结构的建筑物工作机理示意图；(b)透明气凝胶作为建筑物隔热窗示意图；(c)MNB气凝胶在航天器和电动汽车电池中的潜在应用场景；(d)在消防服中的潜在应用；(e)夏季阳光下对人体健康和运动康复的解决方案及潜在应用

5. 挑战与未来趋势  

5.1 当前挑战  

• 极端环境稳定性：材料在反复热冲击、湿热循环下的性能衰减机制尚未明确，如生物质气凝胶在紫外线老化下的耐久性需验证。  

• 成本与规模化：超临界干燥、3D打印等工艺成本高，限制气凝胶大规模应用（如陶瓷气凝胶工业化生产成本比传统材料高3–5倍）。  

• 环境适应性：壳聚糖等生物质材料易受潮霉变，需通过化学改性（如引入石墨烯）提升阻燃性与力学强度。  

5.2 发展趋势  

• 多学科交叉设计：融合仿生学（如仿硅藻矿化）与多物理场耦合机制，开发宽温域、抗疲劳的多功能材料。  

• 绿色制备技术：推广水基溶胶-凝胶法、常压干燥工艺，利用农业废弃物（如木质素、纤维素）降低原料成本与碳排放。  

• 数字化与智能化：借助数字孪生技术模拟材料在复杂工况下的性能，实现微观结构精准预测与工艺优化，缩短研发周期。  

6. 结论  

隔热材料的研究已从单一性能优化转向多维度协同提升，多尺度结构设计、仿生学应用与可持续材料开发成为核心方向。未来需进一步突破极端环境稳定性、规模化制备成本等瓶颈，推动隔热材料在建筑节能、航空航天等领域的深度应用，为全球碳中和目标提供材料技术支撑。 

参考文献  

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