摘要

隨著全球能源消耗與溫室氣體排放問題的加劇，開發高效環保的隔熱材料成為材料科學領域的研究重點。本文系統綜述了近年來隔熱材料在制備工藝、微觀結構及應用場景的研究進展，重點分析了有機、無機及有機-無機雜化氣凝膠與泡沫材料的結構特性及隔熱性能，通過對比導熱系數、耐溫性等關鍵參數，梳理了不同材料體系的適用場景。研究表明，多尺度結構設計、仿生學原理與可持續材料的結合是提升隔熱性能的核心路徑。未來，需進一步解決極端環境下的穩定性、規模化制備成本及多功能集成等挑戰。 

關鍵詞：隔熱材料；氣凝膠；導熱系數；孔隙率；仿生結構；可持續材料  

1. 引言  

熱傳遞的普遍存在推動了隔熱材料在建筑、工業、航空航天等領域的廣泛應用。傳統隔熱材料（如聚苯乙烯泡沫）因高能耗、低耐溫性等缺陷，難以滿足現代節能環保需求。數據顯示，全球近30%的能源消耗與建筑物供暖制冷相關，開發高性能隔熱材料成為降低碳排放的關鍵途徑。本文結合最新研究，從分類、制備、結構優化及應用等方面綜述隔熱材料的進展。 

2. 隔熱材料的分類與制備方法  

2.1 材料分類  

根據化學組成，隔熱材料可分為三類： 

• 有機材料：以聚氨酯（PUR）、聚酰亞胺（PI）為代表，導熱系數20–100 mW/(m·K)，柔性好但耐高溫性不足（如PUR泡沫耐溫≤120℃）。  

• 無機材料：包括陶瓷氣凝膠（如SiO?-TiO?）、碳氣凝膠，導熱系數低至10–20 mW/(m·K)，耐高溫（如陶瓷泡沫可承受>1000℃高溫）但機械脆性顯著。  

• 有機-無機雜化材料：通過氫鍵、界面互鎖等機制結合兩者優勢，如間位芳綸/氟化空心玻璃微球氣凝膠導熱系數21.6 mW/(m·K)，兼具柔韌性與高溫穩定性。

表：常見隔熱材料和相關性能

2.2 制備工藝  

• 氣凝膠制備：溶膠-凝膠法結合超臨界干燥是主流工藝，水熱輔助干燥（HAD）等改進技術可調控孔隙結構。例如，HAD工藝制備的SiO?-TiO?氣凝膠導熱系數較傳統方法降低40.6%，室溫下為44.0 mW/(m·K)。  

  表：不同氣凝膠復合材料的制備工藝比較

  

• 泡沫材料制備：液氮汽化法、微模板法等技術用于控制泡孔尺寸。聚酰亞胺納米纖維泡沫（PINF）通過液氮汽化制備，孔隙率90.2%，導熱系數24.0 mW/(m·K)。  

• 仿生與多尺度設計：仿珍珠層多拱形結構通過界面拓撲互鎖降低導熱系數至39.7 mW/(m·K)，微/納米纖維氣凝膠因99.7%超高孔隙率顯著抑制熱傳導。  

3. 隔熱材料的結構優化與性能提升  

3.1 關鍵結構參數  

• 孔隙率與孔徑：孔隙率≥90%且孔徑<100 nm時，氣體對流與固體傳導顯著減弱。例如，靜電紡絲制備的微/納米纖維氣凝膠孔隙率達99.7%，導熱系數低至12.7 mW/(m·K)。  

• 多尺度結構：三維層狀結構（纖維層間距12.5–35.8 μm）使固體導熱系數（λsolid）降至18.7 mW/(m·K)，分級多孔陶瓷氣凝膠在2000℃高溫下仍保持隔熱性能。  

• 仿生結構：仿孤雌草卷須的卷曲納米纖維氣凝膠拉伸應變達150%，導熱系數僅增加3.1%，突破“隔熱-力學”性能權衡難題。  

3.2 熱傳導抑制機制  

• 路徑調控：長程層狀結構（如碳基氣凝膠）通過延長熱傳導路徑降低λsolid，介孔結構（如SiO?/蒙脫土復合氣凝膠）通過聲子散射縮短平均自由程至2.3 nm。  

• 輻射與對流抑制：SiC納米線作為紅外遮光劑可使λrad貢獻減少42%，封閉納米孔（如間位芳綸氣凝膠）通過克努森效應抑制氣體分子運動。  

4. 隔熱材料的應用場景  

4.1 建筑節能領域  

• 墻體與屋頂保溫：SiO?氣凝膠微球嵌入聚偏氟乙烯膜可實現建筑表面輻射冷卻，在885.56 W/m2輻照下晝間降溫11.2℃；生物質纖維素氣凝膠年節能達23.1 kWh/m2，適配不同氣候帶需求。  

• 可持續材料：纖維素/木質素復合氣凝膠因面包狀結構保護內部多孔體系，導熱系數28.5 mW/(m·K)，適用于臨時建筑與熱帶隔熱。  

4.2 航空航天與熱防護  

• 航天器熱保護：硅化納米復合氣凝膠通過凝膠約束冷凍鑄造技術形成拓撲彈性結構，1000℃下導熱系數穩定在21.3 mW/(m·K)，可承受航天器再入大氣層的瞬態高溫。  

• 電池熱管理：3D打印PI/SAP復合氣凝膠在-50℃至1300℃寬溫域穩定隔熱，2 mm厚保護殼使鋰電池在-20℃環境下維持13℃工作溫度。  

4.3 可穿戴防護與電子設備  

l個人防護衣物：聚氨酯@纖維素納米纖維氣凝膠厚度9 mm時等效40 mm鵝絨保溫效果，富勒烯圓頂結構賦予超彈性與自清潔功能，適用于消防服與太空服。  

l柔性熱管理：仿生透明氣凝膠透光率89%，可使CPU降溫15℃，為可穿戴電子設備提供柔性熱管理方案。  

圖 隔熱材料在建筑、航天、電池、防護衣物等領域的多功能應用研究。(a)以氣凝膠為外圍護結構的建筑物工作機理示意圖；(b)透明氣凝膠作為建筑物隔熱窗示意圖；(c)MNB氣凝膠在航天器和電動汽車電池中的潛在應用場景；(d)在消防服中的潛在應用；(e)夏季陽光下對人體健康和運動康復的解決方案及潛在應用

5. 挑戰與未來趨勢  

5.1 當前挑戰  

• 極端環境穩定性：材料在反復熱沖擊、濕熱循環下的性能衰減機制尚未明確，如生物質氣凝膠在紫外線老化下的耐久性需驗證。  

• 成本與規模化：超臨界干燥、3D打印等工藝成本高，限制氣凝膠大規模應用（如陶瓷氣凝膠工業化生產成本比傳統材料高3–5倍）。  

• 環境適應性：殼聚糖等生物質材料易受潮霉變，需通過化學改性（如引入石墨烯）提升阻燃性與力學強度。  

5.2 發展趨勢  

• 多學科交叉設計：融合仿生學（如仿硅藻礦化）與多物理場耦合機制，開發寬溫域、抗疲勞的多功能材料。  

• 綠色制備技術：推廣水基溶膠-凝膠法、常壓干燥工藝，利用農業廢棄物（如木質素、纖維素）降低原料成本與碳排放。  

• 數字化與智能化：借助數字孿生技術模擬材料在復雜工況下的性能，實現微觀結構精準預測與工藝優化，縮短研發周期。  

6. 結論  

隔熱材料的研究已從單一性能優化轉向多維度協同提升，多尺度結構設計、仿生學應用與可持續材料開發成為核心方向。未來需進一步突破極端環境穩定性、規模化制備成本等瓶頸，推動隔熱材料在建筑節能、航空航天等領域的深度應用，為全球碳中和目標提供材料技術支撐。 

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