真空絕熱板( VIPs) 的長期穩(wěn)定性已經成為諸多研究單位、生產企業(yè)和使用者最為關心的問題之一。文章建立了相應的使用壽命預測數學模型，并對不同多孔介質芯材的VIPs 使用壽命進行了數值分析及預測。采用實驗結果與預測數學模型進行了對比分析，兩者吻合較好。提出了延長使用壽命的措施，設計了可降階反氣體滲透的方法用以延長VIPs 的使用壽命。文章所建立的數學模型及分析方法對VIPs 的生產和推廣應用具有指導意義。

　　真空絕熱板( VIPs) 是由多孔介質芯層隔熱材料、高阻氣性的隔氣結構及氣體吸附材料復合而成的一種保溫材料，其導熱系數低達0. 004 W/( m·K) 以下，為常規(guī)保溫材料的1 /7，甚至1 /10。VIPs的高效絕熱性能日益為社會認可和接受，在建筑、航空航天、交通運輸、家用電器等領域得以廣泛應用。在二次產品開發(fā)時，用戶總是希望在產品的整個使用壽命期內VIPs 可以保持高效的保溫性能，而影響其使用時間的因素眾多。如何保證其長期穩(wěn)定性已成為眾多學者、生產企業(yè)和使用單位最為關注的問題之一。對其使用壽命的研究，對VIPs 的生產推廣、二次產品的研發(fā)等具有重要指導意義。

　　國內外對VIPs 的研究多存在于其熱工性能及導熱系數的預測領域，而對VIPs 使用壽命的相關技術概念存在混淆和誤解，如不了解絕熱與保溫的概念，不明確VIPs 中心區(qū)域導熱系數和有效導熱系數之間的區(qū)別，對于VIPs 失效的界定及判斷標準模糊等。事實上，VIPs 的導熱系數并不是恒定不變的，隨著其在保溫場合使用的時間推移，絕熱性能會隨之衰減，導熱系數也會隨之上升。因VIPs 導熱系數的變化受諸多因素的影響，目前對其的研究主要是存在于試驗研究階段，理論研究也已深入微尺度空間。但受客觀因素影響，這些試驗數據及結論很難再現，并推動理論知識的發(fā)展。

　　工程熱物理及傳熱學將導熱系數為0. 20W/( m·K) 作為保溫材料及非保溫材料的分界線，但對絕熱材料與普通保溫材料并沒有給出明確分界。美國ASTM C 1484-01 標準規(guī)定，絕熱材料指的是在平均溫度為24℃( 75 �瓼) 的測試環(huán)境中，中心區(qū)域導熱系數不高于0. 011495 W/( m·K) 的保溫材料。

　　本文取0. 0115 W/( m·K) 作為絕熱材料導熱系數的上限。事實上，VIPs 使用壽命又可分為實際使用壽命和標準工況使用壽命。實際使用壽命指的是在其使用環(huán)境中VIPs 導熱系數滿足絕熱材料臨界值的使用年限。實際使用壽命在很大程度上取決于VIPs 設計與材質、使用環(huán)境及所允許的最小熱阻值。標況下的使用壽命指在溫度為24℃、相對濕度為50%的條件下VIPs 保持超絕熱性能的年限。真空技術網(http://m.mp99x.cn/)認為VIPs 的實際使用壽命是大于還是小于標準條件下的使用壽命取決于使用環(huán)境與要求的最小熱阻值。本文采用數值分析和實驗研究的方法對真空絕熱板的標況下的使用壽命進行了預測，并提出了延長真空絕熱板的使用壽命的措施。

VIPs 使用壽命的評估

　　VIPs 因長期使用，氣體、水蒸汽會通過隔氣結構及封口滲入到板內、以及隔氣結構和芯材釋放氣體到板內，都會造成板內氣壓的上升，從而影響其使用壽命。隔氣結構是形成真空環(huán)境的屏障，是VIPs的重要組成部分。隔氣結構導熱系數、厚度等因素都會對VIPs 的邊緣熱橋效應的高低有一定影響，從而影響VIPs 的有效導熱系數。隔氣結構的透氣性能與透濕性能直接影響VIPs 內的真空度穩(wěn)定性，從而影響其絕熱性能的長期穩(wěn)定性。

使用壽命理論模型

　　在理論計算時，為簡化模型，假設板內氣壓與水分對導熱系數的影響是相互獨立的，故而可采用相互疊加的方式對其進行評估。

　　式中: λ ( τ) 為使用τ ( 年) 時間后的導熱系數，W/( m·K) ; λe為初始導熱系數，W/( m·K) ; λgas( τ) 為由大氣滲透造成的導熱系數增加值，W/( m·K) ; λvap( τ) 為由水蒸汽滲造成的導熱系數增加值，W/( m·K) 。

　　影響VIPs 內部真空的氣體事實上由兩部分組成，一部分來自外界的滲透，一部分來自隔氣結構或芯材的氣體釋放。外界通過隔氣結構滲入到VIPs 板內的氣體快慢可以用氣體滲透率( Gas Transmission Rate，GTR) 來表示，其值一般由組成隔氣結構的材料和封口情況來決定，為溫度與相對濕度的函數。隔氣結構表面氣體滲透率可由廠家直接提供，但提供的數據多為氧氣滲透率( Oxygen Transmission Rate，OTR) 。氧氣滲透速率是指在大氣環(huán)境條件下單位面積隔氣結構每天滲透的氧氣量， cm3 /( m2·d·Pa) 。氧氣在空氣中占的比例僅為21%，空氣中的氮氣分壓力為氧氣4 倍左右，但氧氣在許多膜中的滲透速率較高，一般為氮氣滲透率的5 倍以上。

　　事實上，滲入到VIPs 內的干空氣不僅僅是氧氣，氮氣等，其他氣體也會因內外壓差而滲入到VIPs 內。研究發(fā)現，氮氣滲透率為氧氣滲透率的1 /5，在理論計算時氣體滲透率可以采用式( 2) 計算。

　　式中，RGTR為氣體滲透率，cm3 /( d·Pa) ; ROTR為氧氣滲透率，cm3 /( m2·d·Pa) ; AVIP為隔氣結構表面積，m2 ; RCir為透過周長為CVIP( m) 的封口氣體滲透率，cm3 /( m·d·Pa) 。

延長使用壽命的方法

　　VIPs 板內真空度的高低是衡量真空絕熱性能和使用壽命長短的重要指標，為保證既定VIPs 的導熱特性和使用壽命，可以從減少氣體滲入和降低芯材及隔氣結構放氣等環(huán)節(jié)入手。

原材料的選擇及加工工藝的優(yōu)化

　　在VIPs 隔氣結構的選擇時，盡量選擇即能有較強抗氣體滲透能力，又能最大程度上減小熱量傳遞的高阻隔薄膜。目前多采用金屬與塑料復合膜，能夠有效地抑制空氣和水蒸汽的滲透速率。在保證其優(yōu)良隔氣性能的前提下，采用聚酯基無金屬薄膜對金屬隔氣結構的替代，意味著盡量降低或消除VIPs邊緣熱橋效應的同時，又能保證在整個使用周期內VIPs 都具有良好的絕熱性能。

　　多孔介質芯材孔徑或直徑較小的多孔介質芯材較之較大者具有更長的使用壽命。在芯材的生產制造時，盡量降低芯材孔徑或直徑，提高其均勻性。另外，選取泡沫多孔介質作為芯材時，盡量選用開孔率較高者。

　　在VIPs 封裝之間對其多孔介質芯材預處理是極其重要的。采用間歇式加熱抽真空的芯材預處理方法較之傳統(tǒng)單純加熱的方法，能更為有效的驅除殘留或吸附在多孔介質芯材孔隙中的水分及氣體，尤其對固封在封閉空間中的水分及氣體具有良好的驅除效果。

　　吸氣劑及干燥劑是用來吸收VIPs 內的氣體和水蒸汽，以維持板內真空度，從而維持VIPs 的絕熱性能，保證VIPs 的使用壽命。由于吸氣劑和干燥劑的吸氣具有選擇性，因此，在選擇氣體吸附材料的種類和數量時，應根據芯材及表面薄膜類型及其氣體釋放、滲透和水蒸汽滲透情況，對真空板內可能出現的氣體種類及數量進行較為準確的分析預測。在吸氣劑的添加位置及方法上，目前多采用在芯材上開洞將吸氣劑放在里面的方法，但因板內氣體要到達吸氣劑會受很大阻力，吸氣效果一般。將氣體吸附材料研成粉末，做成極薄的紙狀物質，平鋪與芯材之中，這樣可增大有效吸收面積。

可降階反氣體滲透的VIPs

　　多孔介質VIPs 主要是依靠極大的提高其內部真空度來實現絕熱的，真空度的維持主要是靠隔氣結構來完成的。VIPs 的內部真空度極高，一般都在1 ～ 10 Pa 左右，甚至更低。在板內外壓力懸殊的情況下，不可避免的會有氣體透過隔氣結構表面滲透到板內，從而提高了板內壓力而影響了VIPs 的整體導熱效果。作者設計了一種通過氣體降階的方式來阻礙氣體通過隔氣結構向板內滲透的方法，可以有效延長VIPs 的使用壽命。

　　常規(guī)封裝方式為兩片隔氣結構熱封而成，如圖2 所示。引起板內壓力上升的主要原因是氣體通過隔氣結構滲透入板內，而決定氣體滲透量及滲透能力的關鍵因素是板內外壓差。圖3 所示為作者設計的具有壓力降階阻氣的VIPs 隔氣結構示意圖。

圖2 常規(guī)隔氣結構袋　　圖3 可降階隔氣結構袋

　　芯材被獨立的袋狀腔室隔開，并在最外層的芯材內放置少量吸氣劑或不放置。氣體因內外較芯材被獨立的袋狀腔室隔開，并在最外層的芯材內放置少量吸氣劑或不放置。氣體因內外較大壓差會微量的滲透到最外一階VIPs，而最外一階與內層之間因壓差較小，氣體滲透量甚微，中心一階的芯材在較低的真空狀態(tài)下保持良好的絕熱性能。采用分階降壓，可以有效減少氣體向芯層的滲透，外層一階的VIPs 還起到對內層的保護作用，即便在外層隔氣結構被刺破的情況下，依然可以維持內層VIPs 的板內真空度，從而保證VIPs 整體的絕熱性能。如果分階的等級較多，還可以省去氣體吸附材料，減少制作成本，提高其經濟性。

結論

　　(1) 建立了相應的導熱系數隨時間變化的數學模型，對VIPs 的使用壽命進行預測，并通過實驗對比分析驗證本模型的吻合性。

　　(2) 分析了誤差原因，并提出了模型的優(yōu)化措施。今后通過試驗方法對本模型中的一些未知參數及未知量進行修正和完善，其計算結果將會不斷的接近真實值。

　　(3) 針對真空絕熱板的使用壽命的影響因素，提出了真空絕熱板的延長使用壽命的方法。