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国家973计划课题"微纳米材料结构、热传递表征新方法及传热基本规律"简介(上)
发稿时间:2014-05-15         作者:祝捷          来源:传热传质研究中心     【字号:

  为应对全球气候变化和国家能源安全问题,节能减排、发展绿色低碳经济已成为国家基本国策。本项目拟开展基于新型微纳结构高效节能材料体系的基础研究,针对热传递的三种方式:传导、对流、辐射,设计具有体相或表面微纳结构的高效隔热、强化传热和智能热能调控的新型高效热功能材料,研究材料组成、微纳结构、界面对热能传递行为的影响规律,用于指导设计和开发新型高效节能材料,显著提高材料的安全性和稳定性,为大幅度提高热能利用率提供有效的解决方案,同时加深对微纳尺度热物理基本规律的认识。 

  一、“节流”是应对能源重大需求的基本方法之一 

  能源短缺已成为全球共同面临的重大问题。“开源”和“节流”是应对能源短缺两种基本办法。“开源”,即增加能源供应量,包括增加化石能源的开采量以及开发太阳能、风能、生物能源等新能源。常规化石能源资源总量和开采速度有限,非常规石油能源的开采,如开发油砂及超深海油田等则面临技术困难和环境污染问题,特别是我国的一次性化石能源已处于过量开采的状态,如过度依赖进口则会面临能源战略布局风险。虽然新能源技术将会为未来能源的发展提供技术储备,但目前还不能作为主流能源大规模使用。因此,“开源”虽然是应对能源短缺问题的最直接办法,但却不是最优的解决方案。“节流”,即提高能源使用效率,是在现有能源结构和使用模式状态下,解决能源紧缺问题更为有效、更为直接、更为现实的途径,在我国尤其如此。 

  与发达国家相比,我国的能源利用效率整体仍处在较低水平,单位产值能耗比日、德、法、美等发达国家高出47倍,单位建筑面积能耗为气候相近发达国家的3倍左右。因此,我国在节能方面空间巨大,可通过改造现有高能耗设施、采用集中式大型高效用能设施以及研发推广新型节能材料等渠道来提高能效。其中,新型高效节能材料的开发利用是一种从根本上减少能耗的有效而直接的途径,具有巨大的节能潜力。例如,建筑、工业等成为我国“耗能行业”。据《中国建筑节能年度发展研究报告-2007》报道,我国现在每年新建房屋20亿平方米,其中90%以上是高能耗建筑。而对于高达430亿平方米的现有建筑,其中只有5%采取了提高能源利用效率的措施,且技术也比较落后。据测算,如果不采取积极有效的节能措施,到2020年中国建筑能耗将是现在的3倍以上。2006年底,全国政协调研组就建筑节能问题提交的调研数据显示:按目前的发展趋势,到2020年我国建筑能耗将达到10.9亿吨标准煤,相当于29430亿度电。因此,建筑节能是全国节能减排工作的重中之重,已引起全社会的高度关注。 

  减小能耗的措施一方面是保温。建筑热能主要通过墙体、门窗等渠道损失。我国的建筑围护结构保温隔热性能普遍较差。以多层住宅为例,外墙的单位面积能耗为同等气候条件下发达国家的45倍。因而,发展新材料与技术,大幅度提高墙体隔热保温性能,已成为实现建筑节能的关键。据测试,通过墙体造成的能耗约占建筑总能耗的50%。因此,墙体已成为建筑最大的能源漏洞之一。目前建筑保温节能主要通过保温材料来实现,世界各国在建筑中采用了大量的新型建材和保温材料。但从建筑设计的标准来说,我们与发达国家相比还存在较大差距。墙体施工中使用的隔热保温材料包括岩棉、玻璃棉等无机材料,和聚苯乙烯塑料、聚氨酯泡沫塑料等有机高分子材料。无机材料虽具备防火安全性,但其隔热保温性能差,很难达到设计保温性能。高分子泡沫保温材料具有较好的保温隔热效果,但是容易燃烧,大大限制了其应用。即便对于高分子泡沫材料,其导热系数仍显得很高,难以满足大幅度提高建筑节能效率的要求。因此,发展新方法,制备新材料,研发具备超低导热系数、阻燃防火的廉价材料,实现大幅度提高建筑节能效率,将具有重大的现实意义。而纳米科学与技术将为该问题的解决提供新的思路。 

  减小能耗的措施另一方面则是提高材料的热交换性能,从而提高热能利用效率,这涉及强化传热的关键问题。在日常生活和工业生产中,大量余热被耗散,如何回收余热也引起人们的极大兴趣。例如建筑物内部白天温度较高而晚上温度较低,通过储能材料可以将这些余热收集起来加以循环利用,实现温度的自我调控,同时起到削峰填谷的效果,既提高了建筑物内部的舒适程度,又大大降低了总体能耗。相变材料,又叫潜热储能材料,是指物质发生相变时能够吸收或放出热量而该物质本身温度不变或变化不大的一种材料。该类材料在温度高于相变点熔化时吸收热量;当温度下降至低于相变点时发生逆向相变结晶,具有能量储存/释放和控制温度恒定的功能,因而相变材料可以通过相变潜热调控环境温度,相比普通材料能够储存或释放更多热能。其中,储能控温建筑新材料是将相变储能技术应用于建筑节能领域的新型材料,这种新型材料可以根据环境温度的变化在特定的温度范围内自动储存和释放潜热,显著降低室内温度的波动幅度,在冬季晴朗的白天可以储存太阳热能以备夜晚采暖之需;在夏季白天可以吸收室内多余的热量,防止室内过热,夜晚当气温降低到结晶温度以下就向室内释放热量、防止温度进一步降低,最大程度上做到“冬天不冷、夏天不热”,提高室内热舒适性。相变材料未来可望用于建筑、工业余热回收,电力的移峰填谷等领域。 

  二、设计开发新型高效节能材料体系是实现"节流"方案的关键 

  研究发现,材料的热性能除了受化学组成影响外,材料的微纳米结构也同样起着关键作用。通过合成特殊的微纳结构,往往能起到事半功倍的效果。充分利用近年来微纳米科学与技术在调控材料微纳结构的最新研究成果,用于热能的调控和管理,有望突破传统热能材料,获得综合性能更加优异的热能调控材料体系。针对热能的三种传递模式:传导、对流、辐射,对材料微纳结构进行设计优化,实现增强、抑制或智能调控热能传递,可以大幅度提高材料的热利用效率。纳米多孔结构材料具有优异的隔热保温甚至绝热性能,比如气凝胶材料由于具有高孔隙率、三维纳米多孔网络结构等特点,其特征孔尺寸与空气的平均自由程相当,能有效抑制热的传导和对流,是目前公认的导热系数最低、最有效率的固态隔热保温材料。但传统的纳米孔材料大多为无机物,容易脆裂。柔性高分子纳米孔材料虽表现出绝热性能,但制备方法无法实现大规模生产。在强化传热方面,固体表面经过适当的微纳结构处理可以显著改变其润湿性,从而加速蒸汽冷凝过程,提高从气相到固相的传热效果;这种微纳米复合结构同样适用于锅炉等液/固或气//固界面上的高效热传导。通过控制界面浸润性,减少气泡产生或加速气泡破裂,从而实现从固相到液相的强化传热过程。通过微胶囊技术包覆相变储能材料,可以防止材料相态转变过程中的液态渗漏,体系高温吸热、低温放热,从而调节热量的时间及空间分布,极大提高热能的使用效率。针对不同应用领域,建立具有相应热物理性质的热能调控功能材料体系,包括高效绝热材料、高导热材料和具有高蓄热能力的材料体系等,可实现高效的热能管理和大幅度提高热能的使用效率。 

  近年来,微纳米结构对于材料热物理性质的显著影响已经得到证实和广泛关注,相关研究进一步揭示了微纳尺度下的热物理规律,对于指导高效节能材料的设计合成至关重要。需要指出的,目前人们对在微纳米尺度上热能传递的表征和基本规律认识尚不完善,严重阻碍了高效热能材料的设计和开发。在微纳结构材料体相和界面上,热能传导、对流及辐射规律都显著有别于宏观块体材料,这就要求我们在纳微结构材料体系可靠的结构和热能表征关联基础上,建立适用于微纳结构材料和界面的热传递理论框架体系,进一步指导设计和制备性能更为卓越的热能调控纳米结构材料体系。 

  三、拟解决的关键科学问题 

  1.揭示微纳结构材料在热传递过程行为的尺度纳米效应和新规律; 

  2.以此为理论依据,发展微纳结构设计与材料制备新方法,通过提高隔热性能、强化传热及高效储能等途径大幅度提高热能使用效率; 

  3.发展微纳尺度下材料体相、表/界面热能传递的表征新原理、新方法,揭示新规律。 

 
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