■王萌萌
2022年7月24日，问天实验舱发射成功。问天实验舱以生命科学和生物技术研究为主，在轨开展拟南芥、线虫、果蝇、斑马鱼等动植物的空间生长实验，以促进人类对生物个体生长、发育乃至对生命现象本质的理解。为了支持上述实验，问天实验舱搭载了我国首台“太空冰箱”。
所谓“太空冰箱”，是在不到0.5㎡的空间内，集成了3个冷冻冷藏区，其中包括一个温度可达零下80℃的深冷环境，用于实验样品的在轨存储。“太空冰箱”深冷的秘密，离不开一种特殊的材料——真空绝热板。
“太空冰箱”为什么选择真空绝热板
“问天实验舱里的低温储冷设备可不是普通的低温储冷箱。”据航天专家介绍，问天实验舱搭载的是我国首台三温区“太空冰箱”，实现了-80℃、-20℃、+4℃三种典型存储温度。如何在狭小的空间内，让各温区温度长期保持恒定是个大挑战。因此，需要“太空冰箱”的材质具备优良的隔热保温性能，同时质量要轻，占地面积小，还要有很好的支撑和抗震作用。
能够备选的材料其实并不多，航天专家首先想到的是气凝胶材料。气凝胶材料隔热保温、质量轻，但是应用气凝胶时需要进行封装，且封装工艺复杂。
“我们也认真考虑了聚氨酯泡沫材料，聚氨酯泡沫材料隔热保温、质量轻，容易封装，但要达到稳定、恒温的要求，聚氨酯泡沫材料的不足之处是要做得很厚，这样储冷设备将占用较大的空间。”航天材料专家艾素芬说，飞船上有种说法，“一寸空间一寸金”，问天实验舱里的每一寸空间都很珍贵，所以对材料的选择堪称苛刻。
为充分、科学发挥先进材料优势，航天专家逐渐将注意力放在了真空绝热板上。真空绝热板在国内普通冰箱中应用得并不多，只用于少数较高端的冰箱产品。
真空绝热板是真空保温材料中的一种，由填充芯材与保护表层经真空封装复合而成，有效地避免了空气对流引起的热传递，导热系数低。真空绝热板的导热系数是传统绝热材料的1/6甚至更低，其厚度也仅为普通材料的1/10～1/5，具备优良的隔热保温性能，且质量轻，占地面积小。“如果在真空绝热板周围结合少量的聚氨酯泡沫材料，既能起到很好的支撑和抗震作用，还能形成对真空绝热板的保护，大大增强其稳定性。”艾素芬说。
助力真空绝热板“上天”
首次建立寿命模型
事实上，真空绝热板并不是新鲜事物，其绝热原理已经写进教科书，但是长期以来其导热系数在10mW/（m·K）左右，与聚氨酯和气凝胶相比优势不明显。早在20世纪50年代，科学家就将玻璃纤维作为填充物放入铝膜中并抽成真空，因其导热系数低，被用于存放液氮的器皿上。20世纪70年代，美国开始设计真空绝热板，主要用于墙体的保温。20世纪90年代初，企业开发了以有机泡沫为芯材的真空绝热板，因其密度小、价格低，广泛应用于医用保温箱、冰箱、冷冻箱和船用冷藏器材等领域。2010年以后，在南京航空航天大学等高校、科研院所和企业共同努力下，真空绝热板的绝热性能发展突飞猛进，导热系数可低至1.5mW/（m·K），是气凝胶材料的1/10，并且伴随着异形真空绝热板的出现，大幅拓宽了真空绝热板的推广速度和应用领域。
即使是这样，真空绝热板用于“太空冰箱”，仍有一系列障碍需要突破。航天材料对人、机、料、法、环、测等每一个环节的要求都非常严格。真空绝热板用于低温储冷设备材料，要求在问天实验舱在轨运行的15年间必须性能稳定，且导热系数增加不超过1mW/（m·K），而目前用于高端冰箱的导热系数要求是增加不超过3mW/（m·K）。这难度是相当大的。
如何突破15年内导热系数增加不超过1mW/（m·K）的难关？
南京航空航天大学教授陈照峰带领团队对真空绝热板的芯材、膜材、生产工艺、吸气剂、抗老化性能测试、不同热环境下的导热系数测试等一列问题进行了理论研究。
研究的一大难题是，材料的抗老化性能测试不可能把材料放在太空环境中进行测试。如何破解呢？陈照峰团队首次将阿伦尼乌斯公式引入真空绝热板耐久性测试。利用分子运动原理，进行反复理论推敲，最终建立了真空绝热板的寿命模型。
此外，真空绝热板表面气体吸附直接影响到真空绝热板的性能。陈照峰介绍：“航天部门十分关心问天实验舱在太空服役这15年，真空绝热板表面气体吸附量出现什么样的变化。我们在理论上梳理清楚了，做出了合理解释，打消了他们的疑虑。”
上百次测试终成功
将理论创新变成可靠的产品，对企业来说也是不小的挑战。
经过陈照峰多次论证，以及航天用户现场考察，最终敲定问天实验舱“太空冰箱”上的真空绝热板由江苏山由帝奥节能新材股份有限公司负责生产（以下简称山由帝奥）。山由帝奥是一家主要从事绝热材料及制品研发、生产与销售的企业，公司抽调出精英力量专门参与“太空冰箱”真空绝热板的试制和生产。“单真空绝热板耐久性测试就需要上百次的试验测试。”公司总工程师张亮亮回忆当时的情景仍记忆犹新。
如今，问天实验舱已经运行两个月，舱内“太空冰箱”等设备工作稳定，为开展在轨实验提供了良好的支持。真空绝热板借助于“上天”这一契机，在理论研究和工厂化生产方面都向前迈出了一大步，为真空绝热板提升性能，开拓更广阔的应用场景创造了条件。
比如，氢能是21世纪最具发展潜力的二次清洁能源，也是全球能源技术革命和转型发展的重大战略方向，氢能的发展需要很好地解决液氢的存储问题。
“理论的深化，为真空绝热板性能提升，拓展其在工业深冷保温领域的应用，比如液氢的存储，提供了扎实的基础和保障。”陈照峰说。
本文原载于《中国建材报》9月26日11版
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