超級絕熱導線、導管的製作方法

2023-06-07 17:58:06

超級絕熱導線、導管的製作方法
【專利摘要】本發明超級絕熱導線、導管公開了一類採用超級絕熱氣凝膠顆粒對導線、導管實施超級絕熱保護的通用性徑向超級絕熱封裝技術及其具體實施方法；其所優選的超級絕熱材料是顆粒直徑範圍為(0.1-100μm)的具有超高多孔度(90-99％)的、也即具有超低熱導率的超級絕熱二氧化矽氣凝膠顆粒或三氧化二鋁氣凝膠顆粒；其它超級絕熱氣凝膠顆粒同樣適用。使用氣凝膠顆粒的徑向超級絕熱封裝使得該導線、導管可以有效屏蔽其與周邊環境的熱交換而使其適於超正常溫度環境下的應用、以及相關超高精度系統的在包括正常溫度在內的任何溫度環境下的應用。本發明所優選的超級絕熱導線、導管的代表性產品實例是超級絕熱電流導線和超級絕熱光纖。
【專利說明】超級絕熱導線、導管
1.【技術領域】
[0001]本發明《超級絕熱導線、導管》【*專利I】公開了一類對「導線」、「導管」實施「徑向超級絕熱」保護的通用性技術及其具體實施方法。其中(一)「導線」、「導管」指的是可以用來輸運「特定物質或能量形態」的線型材料或管型材料，其可輸運的「特定物質或能量形態」涉及:電荷(電子、空穴、離子、極化的顆粒或結構實體)、等離子體、基本粒子、顆粒集合體(全同顆粒)、粒子集合體(全同粒子)、熱(聲子)、光、機械波(聲波)、電磁波、電場、磁場、電磁場、液體、氣體、超流體(超流態液氦)、膠體、凝聚體(凝聚態物質)、有限體積的真空；(二)「超級絕熱」指的是用一種「熱導率低於同環境溫度下空氣熱導率的結構材料」即「超級絕熱材料」封閉性包裹「導線」或「導管」外周，從而幾乎完全隔絕周邊環境與該「導線」、「導管」沿其徑向方向的熱交換。
2.【背景技術】
[0002]人類生產活動中所涉及的最廣泛的一類活動形態是利用特定的「導線」、「導管」在關聯繫統間實施「特定物質或能量形態」的輸運，這裡所指的可被輸運的「特定物質或能量形態」涉及:電荷(電子、空穴、離子、極化的顆粒或結構實體)、等離子體、基本粒子、顆粒集合體(全同顆粒)、粒子集合體(全同粒子)、熱(聲子)、光、機械波(聲波)、電磁波、電場、磁場、電磁場、液態物質、氣態物質、超流態物質、膠體、凝聚態物質、有限體積的真空。例如輸運電流的電線、輸送自來水的水管、傳遞光信號的光纖、傳導電磁波的波導、傳導電磁波的真空管道(管型真空區域)、傳導熱流的熱管、熱線等等。
[0003]「導線」或「導管」在輸運「特定的物質或能量形態」時，常常需要對其進行「徑向絕熱保護」(其中「徑向」指的是垂直於導線或導管輸運方向的方向)。第一種情況是當系統面臨一般的「非正常低溫或高溫」時，或者面臨極端的「超正常溫度」時，例如水管的低溫工作保護(防凍裂)、油氣管道的高溫防爆/低溫防裂、電線的高溫工作保護(防過熱起火短路)、信號線的恆溫工作維持。常規指標的絕熱防護已經廣為使用，例如通常只要在管線外周包裹相對低熱導率材料的橡膠、工程塑料、無機物或聚合物或無機-聚合物纖維膜、或其它一些陶瓷材料都均能起到一定的徑向絕熱功效，但是當系統在「超正常溫度」環境下工作時，例如(_50°C —200°C )，常規絕熱材料將難以勝任。
[0004]第二種情況是「正常溫度」工作時的「超級絕熱防護」或「超級絕熱維持」問題，這通常屬於信號的超高精度測量、保持、傳輸等應用需求情境。實際上，超高精度系統在包括正常溫度在內的任何溫度環境下的應用都需要「超級絕熱防護」或「超級絕熱維持」。
[0005]輸運管線所面臨的「超級絕熱防護」或「超級絕熱維持」問題依其所輸運「特定物質或能量形態」的不同而不同，絕熱防護或維持有時是為了保護輸運管線本身，有時是為了保護其內被輸運的「特定物質或能量形態」。
[0006]在此我們例舉兩個 典型案例以明示對相關「導線、導管」進行「超級絕熱」在相關應用中不可或缺的原因:
[0007]其一，「超級絕熱防護」一鋰離子二次電池的超正常低溫工作問題。[0008]民用二次電池工作溫區的一般標準為(-10°C _+50°C )，視二次電池構成材料如電極、電解液、隔膜、封裝材料的不同，這一工作溫區有相應的變化，例如溫區(-200C -+500C );鋰離子電池工作溫區的軍用標準要高一些，例如我國一個軍用電池標準要求鋰電池能工作的低溫下限要達到_40°C【*文獻I~3】，且其所對應的低溫效能要能達到室溫標稱的40% ;上個世紀90年代以後，美國開展了一些低溫電池的主題研究，其重點集中於高性能低溫電解液的研究【*文獻4~14】【*專利2】。二次電池美國的一個軍用指標要求作為「自由車」動力的鋰離子電池的工作溫區能勝任(_30°C -+52°C )、非失活存儲溫區達到(-460C -+660C )【*文獻11~12】【*專利2】。
[0009]研究表明，僅就電池主要構成模塊(材料)而言，在低溫環境下工作時，電池電極固態電解質界面層(SEI)阻抗增加、界面處電荷極化嚴重；低溫下電解液的粘滯度加大而致離子的遷移率下降、隔膜孔道容易阻塞而致電池失效；電解液中添加防凍劑等措施會導致電池的比容量與放電倍率嚴重下降；總之，在「淺低溫「如-1o°c以下工作，電池性能就會實質性下降【*文獻10】，而在「過低溫」如-40°C以下，電池就幾乎失活，例如，商用鋰離子電池_40°C時的放電容量僅為20°C工作時的5%，而其放電功率密度下降為標稱的1.25%【*文獻7】；而在「甚低溫「如-65°C以下，許多有機電解液將凍結【*文獻6】。
[0010]基於上述背景，為解決「二次電池的低溫工作「問題，我們提出了一種基於「絕熱懸掛」【*專利3】的「絕熱懸掛電池」【*專利4】來實現二次電池在超正常低溫下正常儲運與工作的解決方案，進而通過基於「絕熱懸浮」【*專利5】的「絕熱懸浮電池」【*專利6】和配備「系統電路熱量預警與補償」組件(低溫二次電池通連電路智能熱補償系統)【*專利7]的「智能二次電池」【*專利8】而進一步提升「絕熱二次電池」的超正常低溫工作性能及其非失活存儲性能。
[0011]不過應當指出的是，我們所發明的這些「超級絕熱二次電池」在超正常低溫下工作時仍然面臨著共同的失效風險:(一)在有線導電的工作模式下(指電池需要「暴露於環境空間的外部連接導線」與用電器連通)，僅憑「絕熱二次電池」的「超級絕熱結構」本身並不能保證其在超正常低溫下工作時不失效一這種失效甚至表現為一開機就失效，這主要是因為「絕熱二次電池」所供電的用電器的內部電路往往因未加絕熱防護而處於超正常低溫狀態，其一旦與「絕熱二次電池」的電極連通，將可能瞬間凍結「絕熱二次電池」的電解液而致電池失效；這一風險我們通過帶有系統熱反饋與補償的「智能二次電池」【*專利7】來有效控制；(二)同樣是有線導電的使用模式問題，即如果電池與用電系統之間的輸電線絕熱不良，則當電池在超正常低溫下工作時，電池系統將會因為通過這條外部連接線的熱散失過快而迅速失活。因此非常有必要對「暴露於環境空間的外部連接導線」進行更高級別的「絕熱防護」以克服這一失效風險；這是我們開發本發明技術的主要動機之一。值得指出的是，任何有可能被大規模使用的器物及其附件的研發都具有重大商業價值，而「超級絕熱電池」具有潛在的巨大應用前景，所以為其配套的「超級絕熱導線」具有同等價值。當然，「超級絕熱導線」可以是其它多種電器的必備附件。
[0012]其二，「超級絕熱維持」——信號線的恆溫工作維持問題。
[0013]大多數物理量的測量是通過傳感器採集相關「力/熱/電/光」信號來完成的。測量過程中影響測量精度的因素有很多，其中以「傳感器響應信號的激發精度」、「傳感器對響應信號的採集解析度」和「所採集信號在系統內部信號線中的傳輸一致性(保真傳輸)」為決定性要素。這三個測量要素所涉及的參量都是與溫度相關的，例如金屬導線或信號線的電阻率是隨溫度變化而變化的，另一方面，材料的熱致應變會影響載流子的遷移率，也就是說，測量系統本身的溫度變化是影響測量精度的。所以有效控制測量系統內部模塊與互連線的溫度變化對高精度測量至關重要。
[0014]例如，在「絕熱傳感器:基於絕熱懸掛的測溫晶片」中【*專利9】，我們利用超級絕熱結構而極大地提高了溫度測量的精度。在「絕熱傳感器(基於絕熱懸掛的測溫晶片)」中，我們通過採用基於「絕熱懸掛」的「超級絕熱結構」來實施對「集成於晶片上的感溫鉬電阻模塊及附屬測量電路」的「超級絕熱防護及絕熱維持」，經此超級絕熱封裝，除「感溫鉬電阻」感溫窗口裸露之外，整個測溫晶片的外殼、內部模塊與互連線均被「超級絕熱」，該絕熱封裝最大限度地屏蔽了環境熱源與晶片在除「感溫鉬電阻」感溫窗口之外的任何區域發生熱交換的可能性，從而確保「待測溫場」與「感溫鉬電阻」之間的熱交換是造成感溫鉬電阻溫度變化的唯一原因，這個舉措極大地提高了所採集「電流/電壓信號」來源的一致性，同時與「信號傳輸的，在此基礎上我們以相對低成本的技術路線實現了一種超高精度的溫度測量。簡單來說，其原理就是儘可能地通過絕熱屏蔽來抑制影響測量精度的熱致誤差。值得注意的是，因為基於亞微米及納米工藝的晶片中，所有模塊及互連線都是扁平結構，厚度有時甚至以數納米至數十納米計，這種結構體的比表面積O S大(Ofi= AS/m),結構體的總質量m小，所以其與周邊環境發生哪怕微量的熱交換AQ(T)都會造成顯著的「溫變響應τ, (τχ = ΔΤΧΛ)。
[0015]注:系統誤差的主要來源包括「焦耳熱⑴」、「接觸傳熱Λ Q接觸⑴」、「對流傳熱Λ Q對流⑴」、「輻射傳熱Λ Q鰂⑴」以及「非工熱流溫變響應τχ，，。
[0016](一)一般情形下，上述系統誤差來源所涉及的物理效應相互影響並相互反饋與耦合。考慮t時刻經接觸傳熱發生的熱交換「接觸傳熱AQ_4(t)」:
[0017]①AQ接觸⑴=K Λ SATtl⑴，其中K是結構體的傳熱係數(熱導率)；Λ S是結構體熱交換面傳熱面積；ATtlU)是t時刻結構體和與其發生熱交換周邊環境或系統之間的溫差(熱交換驅動溫差)。可見t時刻單位時間、單位質量結構體的焓變響應(熱交換當量)為 ΔΗ 接觸(t)/t = qK (t)/t = [ Δ Qai4 (t)/m]/t = [ Δ Qai4 (t)]/mt = [ κ ASAT0(t)]/mt = κ [AT0(t)/t] ( Δ S/m) = κ τ。0 s,其中m是結構體的質量，σ s = Δ S/m是結構體的比表面積，Ttl= ATtl (r)/t是該焓變下的初始「溫變響應」當量；對於基於微米納米電子工藝的膜結構範式的結構體而言，通常其08數值很大，所以AH?4(t)/t數值很大；
[0018]②結構體的溫度變化Δ T接觸由熱父換當星Δ Q接觸(t) /1決定:Δ Q接觸(t) /t =cmAT--/t = cm τ I!.其中c是結構體的比熱；所以此j:含變所造成的溫變響應τ mm= ΔΤ接觸/t = AQ接觸(t) /cmt = qK (t)/tc,所以當qK (t)數值很大以至於qK (t)/t — 時,則t時刻結構體對與周邊環境熱交換的溫變響應τ接觸=AT_/t的數值很大。該溫變響應τ
是造成系統誤差的主要來源之一，我們稱其為「溫變響應τ 源系統誤差」，並給予一般性命名「非工熱流溫變響應」——「非測量原因即非工作原因所直接造成的熱交換流所導致的溫度變化響應」；τ 將 嚴重影響「傳感器響應信號的激發精度」和「傳感器對響應信號的採集解析度」;
[0019]③所以「非工熱流溫變響應τ _源系統誤差」的校準意味著要求要麼「保持任意時刻ATtlU) — O」要麼「屏蔽結構體與周邊環境或系統的熱交換即做到(t) — O」。顯然「保持任意時刻Λ T0 (t) - — O」的要求難以實現，而可以使用「超級絕熱」來做到「 Λ Q
接觸⑴—O」。
[0020]( 二)系統內部一個主要溫變響應來源於「焦耳熱Λ Q焦耳熱⑴」，其次系統內部模塊與組件之間、以及其與周邊環境與系統之間因熱交換而造成的溫變響應來源包含「接觸傳熱AQ接觸⑴」、「對流傳熱AQ對,流⑴」與「輻射傳熱AQ_ (t) 」，這些因素都是通過引入額外的熱交換AQx (t)而使其影響耦合於「非工熱流溫變響應τχ」中，這一「非工熱流溫變響應τχ」不僅導致測量結果的數值誤差，而且致使「測量結果所關聯物理來源」的不確定性增加。這其中「焦耳熱」是關鍵因素，「焦耳熱」因系統存在內阻而不可避免，所以工作中它是造成系統溫度升高的主要原因；系統內部模組因「焦耳熱」溫度升高之後，與其關聯的「接觸傳熱」與「對流傳熱」隨即產生，同時由於焦耳熱溫升也致「結構表面熱輻射」增加而導致「輻射傳熱」增強。由上述分析可知，晶片內「接觸傳熱」效應顯著，其表現為大數值的「接觸傳熱溫變響應τ 」與較大數值的「對流傳熱溫變響應τ 顯然，系統中由「焦耳熱」所引發的「非工熱流溫變響應τχ」的權重來源複雜(τχ= τ胃_+τ +τ _+τ
，所以高精度測量時必須儘可能消除其影響。其中
[0021]①系統閉合電路中某一模組(電阻Rx)所產生的「焦耳熱」 [AQ焦耳熱⑴=(I系g5)2Rxt = (U^)2RxV(Rf^)2]可經「電壓-電阻-電流」的聯合設計並結合理論計算以校準，其中是流經此模組的關聯繫統電流，而Usus是關聯繫統電壓，Rsus是關聯繫統電阻；
[0022]②「對流傳熱[AQg (t)]」可以通過真空封裝而杜絕；
[0023]③「輻射傳熱[AQ_ (t)]」通過相關表面塗層抑制等等；
[0024]④「接觸傳熱(t)]」通過「超級絕熱」屏蔽，此處「超級絕熱」指標指的是可以在相關接觸體之間實現「零接觸傳熱」，即Λ Q接觸(t) — O ;
[0025]⑤實際上由於採用「超級絕熱」，不僅可以實現「零接觸傳熱Λ Q接觸⑴一0」，結合非真空封裝下也幾乎實現「零對流傳熱AQ5itffi⑴一0」，也極大地抑制了「輻射傳熱AQ福射(t)」。理想情況下，經採用協同保護與理論校準，可使τχ= τ焦耳熱+τ接觸+τ對流+τ福射^ τ 相對而言，焦耳熱溫變響應誤差τ 的消減容易做到，其可以通過相關技術與材料優化以及τ 的理論校準與補償來實現。
[0026](三)上述分析雖然只是針對「超級絕熱傳感器」【*專利9】而言，但「超級絕熱傳感器」所賴以獲得超高測量精度的超級絕熱技術路線及其所依據的物理原理是通用的。
[0027]通過上述兩個具有重大應用價值的產品實例的技術與應用原理分析，可以看出「連接不同系統之間的導線/管」在應用中起著關鍵作用，所以器物在「超正常溫度」下的應用往往需要對其進行「超級絕熱防護」或「超級絕熱維持」;不僅如此，就是在正常溫度下工作，對關鍵導線及模組進行超級絕熱維持也是至關重要的，例如上述「絕熱傳感器(基於絕熱懸掛的測溫晶片)」實現超高精度測量的案例【*專利9】。
[0028]為此，我們提出一類「超級絕熱導線、導管」的解決方案。「超級絕熱導線、導管」是以「超級絕熱材料」對常規「導線/管」進行「徑向超級絕熱封裝」，該封裝可以有效屏蔽導線/管與周邊環境的熱交換而使得該導線適用於「超正常溫度」環境下的應用，以及相關超高精度系統的在包括正常溫度在內的任何溫度環境下的應用。
3.
【發明內容】
[0029]3.01本發明《超級絕熱導線、導管》的技術定義與約定
[0030]3.01.01超級絕熱導線、導管
[0031]本發明《超級絕熱導線、導管》【*專利I】公開了一類對「導線」、「導管」(3.01.02)實施「超級絕熱」(3.01.03)保護的通用性「徑向超級絕熱封裝」(3.01.04)技術及其具體
實施方法。
[0032]本發明技術路線採用「超級絕熱材料」(3.01.05)對「導線」、「導管」進行「徑向超級絕熱封裝」而使得該「導線」、「導管」具備一定的「超級絕熱」性能而可勝任在「超正常溫度」(3.01.06)環境下工作；同時，就是「正常溫度」環境下的工作也存在必須使用「超級絕熱導線」的場合，這通常屬於信號的超高精度測量、保持、傳輸等應用需求情境。實際上，超高精度系統在包括正常溫度在內的任何溫度環境下的應用都需要「超級絕熱防護」或「超級絕熱維持」。
[0033]本發明技術路線所優選的賴以實現「徑向超級絕熱封裝」的「超級絕熱材料」特指在應用環境下呈固態的、幾乎所有種類的具有超高多孔度的「多孔結構材料」(3.01.07);當「多孔結構材料」的多孔度大到一定閾值後(通常大致為75%及以上)，我們稱這樣超高多孔度的多孔結構材料為「氣凝膠」，而當多孔度達到更高閾值(該閾值通常約為90%)後，該「氣凝膠」的熱導率將低於同溫度下空氣的熱導率而具備本發明所約定指標的「超級絕熱」能力，我們稱其為「超級絕熱氣凝膠」(3.01.08)；
[0034]由於多孔度高達90%及以上的「氣凝膠」都非常容易破碎，所以實際使用的「超級絕熱氣凝膠」的材料往往呈破碎的顆粒形態；本發明所優選的「超級絕熱氣凝膠」的代表性實例是「顆粒直徑範圍約(0.1 μ m-100 μ m)的/具有超高多孔度(90^-99%)的/且具有超低熱導率的/超級絕熱二氧化矽(SiO2)氣凝膠顆粒【*專利10~15 ;*文獻15~22】或三氧化二鋁(Al2O3)氣凝膠顆粒【*專利16】」；非化學計量比的氧化矽(SixOy)和氧化鋁(AlxOy)的「超級絕熱氣凝膠顆粒」同樣適用(3.01.09)；
[0035]本發明技術路線其它可用以實現「超級絕熱」的「超級絕熱氣凝膠」還包括所有金屬氧化物氣凝膠、半導體氧化物氣凝膠、合金氧化物氣凝膠、無機鹽氣凝膠、金屬氫氧化物氣凝膠、聚合物氣凝膠、聚合物-無機物複合氣凝膠、以及上述材料的混合/化合/複合結構氣凝膠(3.01.10)。
[0036]本發明技術路線所優選的賴以實現「徑向超級絕熱封裝」的「超級絕熱材料」並非僅限於上述超高多孔度的「多孔結構材料」以及各類典型的「超級絕熱氣凝膠材料」。
[0037]3.01.02 導線、導管
[0038]「導線」、「導管」指的是可以用來輸運「特定物質或能量形態」的線型材料或管型材料，其可輸運的「特定物質或能量形態」涉及:電荷(電子、空穴、離子、極化的顆粒或結構實體)、等離子體、基本粒子、顆粒集合體(全同粒子)、熱(聲子)、光、機械波(聲波)、電磁波、電場、磁場、電磁場、液體、氣體、超流體(超流態液氦)、膠體、凝聚體(凝聚態物質)、有限體積的真空。
[0039]3.01.03 超級絕熱
[0040]本發明所指稱的「超級絕熱」的主要物理指標之一是在I標準大氣壓下環境溫度27°C時所用絕熱材料的熱導率低於同環境條件下的空氣的熱導率；進一步更加要求在其所工作的溫區內，其熱導率均低於同環境溫度下空氣的熱導率。[0041]3.01.04徑向超級絕熱封裝「徑向超級絕熱封裝」指的是用一種「熱導率低於同環境溫度下空氣熱導率的結構材料」封閉性包裹「導線」或「導管」外周，從而幾乎完全隔絕周邊環境與該「導線」、「導管」沿其徑向方向的熱交換。
[0042]3.01.05超級絕熱材料
[0043]本發明所指稱的「超級絕熱材料」特指在人居地表環境裡呈現為固態的具有超高多孔度的多孔結構材料，該多孔結構材料的熱導率隨多孔度的增加而降低，當多孔度大到一定閾值時(該閾值通常約為90% )，該多孔結構材料的熱導率因低於同溫度下的空氣熱導率而具備了 「超級絕熱」的能力。
[0044]3.01.06超正常溫度
[0045]就人類活動所使用的器物而言，我們對「超正常溫度」有如下基於實用層面的約定:其一，以人居地表環境的常規溫度為參照，我們約定-50°C以下的環境溫度為超正常低溫，大於+50°C以上的環境溫度為超正常高溫；其二，以大氣層外空間及宇宙深空的環境溫度為參照，我們定義_200°C至_270°C以下的環境溫度為超正常低溫；其三，約定金屬鋁熔點+660.37°C至金屬鐵熔點+1538°C為人居地表環境的超正常高溫。
[0046]3.01.07多孔結構材料
[0047]所有在人居地表環境裡呈現為固態的物質都可以構成多孔結構材料，具體來說，構成多孔結構材料的材質可以是(一)固態無機物的單質、合金、化合物、混合物；(二)固態有機物的聚合物(合成纖維或多孔工程塑料等)、混合物、複合物(無機物與有機物的複合)；(三)上述這些材料的混合/化合/複合物；(四)以及所有上述材料所對應的人工微結構材料；當多孔結構材料的多孔度大到一定閾值後(通常大致為75%及以上)我們稱這樣高多孔度的多孔結構材料為「氣凝膠」。
[0048]3.01.08超級絕熱氣凝膠
[0049]「超級絕熱氣凝膠」都是具有超高多孔度的，但具有超高多孔度的氣凝膠並不一定能「超級絕熱」。多數不易被氧化的金屬或合金氣凝膠不但不能超級絕熱，而且其導熱性能還相當良好。【*注:例如「金Au氣凝膠」的導熱性能就比較好，而且當「金氣凝膠」滿足「多孔度儘可能地高且不至於太高而致其內部結構網絡的全域實體連通通道斷裂」的條件時，其等效熱導率達到極大值，其對應的多孔度閾值大致為75%左右)】。
[0050]在地表大氣層的有氧/水汽/酸霧環境裡，「超高多孔度的金屬氣凝膠與合金氣凝膠」是難以穩定存在的，這是因為其中絕大多數材料都因具有極大的比表面積而十分容易被氧化或發生鹼性或酸性化合等化學反應，而當其完全被氧化或發生其它鹼性或酸性化合反應後，「超高多孔度的金屬氣凝膠與合金氣凝膠」將因化學反應而變成多孔度適當降低但仍然較高的「高多孔度的氧化物氣凝膠」、「高多孔度的多元複合氧化物氣凝膠」、「高多孔度的氫氧化物氣凝膠」或「高多孔度的硫酸鹽、硝酸鹽、磷酸鹽、碳酸鹽氣凝膠」，而這些經有氧基團化合的高多孔度的氣凝膠都是接近於超級絕熱的。【*注:例如「銅Cu氣凝膠」的熱導率比同多孔度的「金Au氣凝膠」的熱導率還高，但「超高多孔度的銅氣凝膠」是具有高比表面積的納米結構材 料，在地表大氣層的有氧/水汽/酸霧環境裡十分容易被氧化或發生鹼性或酸性化合等化學反應，而形成諸如CuO、Cu2O> Cu (OH) 2> CuSO4或CuCl2等氣凝膠】。
[0051]3.01.09超級絕熱氣凝膠的優選實例
[0052]本發明所用「超級絕熱氣凝膠」的優選實例是「顆粒直徑範圍約(0.1 μ m-100 μ m)的/具有超高多孔度(90%-99%)的/也即具有超低熱導率的/超級絕熱二氧化矽(SiO2)氣凝膠顆粒氣凝膠顆粒或三氧化二鋁(Al2O3)氣凝膠顆粒」;非化學計量比的氧化矽(SixOy)和氧化鋁(AlxOy)的超級絕熱氣凝膠顆粒同樣適用。本發明所優選的一類「多孔二氧化矽(SiO2)氣凝膠顆粒膜」的熱導率可以低至0.012-0.019瓦/米.開爾文(W/m.K)，其對應的結構材料密度為0.170-0.228克/釐米3 (g/cm3)，對應的多孔度為(92.3^-89.6%);多孔度89.6%的二氧化矽氣凝膠顆粒的熱導率已經低於環境溫度300K(27°C )時空氣的熱導率0.026ff/m.K ;而多孔度為92.3%的二氧化矽氣凝膠顆粒的熱導率為0.012瓦/米?開爾文(W/m.K)，該數值甚至低於溫度為-100°C空氣的熱導率0.0158瓦/米.開爾文(W/m.K) ο
[0053]3.01.10超級絕熱氣凝膠的其它優選實例
[0054]本發明所用「超級絕熱氣凝膠」的其它優選實例包括所有金屬氧化物氣凝膠、半導體氧化物氣凝膠、合金氧化物氣凝膠、無機鹽氣凝膠、金屬氫氧化物氣凝膠、聚合物氣凝膠、聚合物-無機物複合氣凝膠、以及上述材料的混合/化合/複合結構氣凝膠。
[0055](3.01.10-01) 「超級絕熱氧化物氣凝膠」可以用作「超級絕熱導線、導管」所用的「超級絕熱材料」，其典型實例包括:(一)相對安全的材質=Cr2O3氣凝膠、Fe3O4氣凝膠、Rh2O3氣凝膠、IrO2氣凝膠、W03氣凝膠、MgO氣凝膠、Li2O氣凝膠、Ga2O3氣凝膠、In2O3氣凝膠；(二)貴重金屬材質=PdO氣凝膠、PtO氣凝膠、Au2O3氣凝膠、Ag2O氣凝膠；(三)危險材質(毒、腐蝕、刺激性、或存在室溫條件下的危險反應)=Co2O3氣凝膠、CoO氣凝膠、BeO氣凝膠、V2O5氣凝膠、NiO氣凝膠、Ni2O3氣凝膠、CdO氣凝膠、BaO氣凝膠、MoO3氣凝膠、RuO2氣凝膠、PbO氣凝膠、Tl2O3氣凝膠、HgO氣凝膠、As2O3氣凝膠、As2O5氣凝膠、ZrO2氣凝膠、SeO2氣凝膠、SeO3氣凝膠、SrO凝膠、Nb2O5氣凝膠、CuO氣凝膠、Cu2O氣凝膠、MnO2氣凝膠、MnO氣凝膠、CaO氣凝膠、ZnO氣凝膠、TiO2氣凝膠、Na2O氣凝膠、Sc2O3氣凝膠、Y2O3氣凝膠、Ta2O5氣凝膠、FeO氣凝膠、Fe2O3氣凝膠、TeO2氣凝膠、Bi2O3氣凝膠、SnO2氣凝膠、GeO2氣凝膠；(四)稀有、貴重或放射性材質(La系與Ac系材質):La2O3氣凝膠、Ac2O3氣凝膠、Ce2O3氣凝膠、CeO2氣凝膠、ThO2氣凝膠、Pr2O3氣凝膠、Pa2O3氣凝膠、PaO2氣凝膠、PaO氣凝膠、Nd2O3氣凝膠、UO2氣凝膠、Pm2O3氣凝膠、NpO2氣凝膠、Sm2O3氣凝膠、PuO2氣凝膠、Eu2O3氣凝膠、AmO2氣凝膠、Gd2O3氣凝膠、Cm2O3氣凝膠、Tb2O3氣凝膠、Bk2O3氣凝膠、Dy2O3氣凝膠、Cf2O3氣凝膠、Ho2O3氣凝膠、Er2O3氣凝膠、Tm2O3氣凝膠、Yb2O3氣凝膠、Lu2O3氣凝膠。
[0056](3.01.10-02) 「超級絕熱多元複合氧化物氣凝膠」可以用作「超級絕熱導線、導管」所用的「超級絕熱材料」，其典型實例包括:「鋁鎂合金氧化物氣凝膠」(AlxMgyOz)，「鐵鋁合金氧化物氣凝膠」(FexAlyOz);矽酸鹽系列:「鋁矽合金氧化物氣凝膠」(AlxSiyOz)、「鋁鎂矽合金氧化物氣凝膠」(AlMgxSiyOz)、或「鈣鎂矽合金氧化物氣凝膠」 Ca0.3Mg0.4Si02 (CaMg3Si4O12)。
[0057](3.01.10-03) 「超級絕熱氫氧化物氣凝膠」可以用作「超級絕熱導線、導管」所用的「超級絕熱材料」，其典型實例包括:A1 (OH)3氣凝膠、Zn(OH)2氣凝膠、Mg(OH)2氣凝膠、Fe (OH) 3 氣凝膠、Ni (OH) 2 氣凝膠、Cu (OH) 2 氣凝膠、AlxSix (OH) z 氣凝膠、AlxNix (OH) z 氣凝膠、AlMgxSix (OH) z 氣凝膠、CaMgxSix (OH)氣凝膠。
[0058](3.01.10-04) 「超級絕熱硫酸鹽、硝酸鹽、磷酸鹽、碳酸鹽氣凝膠」可以用作「超級絕熱導線、導管」所用的「超級絕熱材料」，其典型實例包括=Al2 (SO4)3氣凝膠、AlPCV5氣凝膠(低多孔度的材料通常稱為分子篩)、FexAlyPCV5氣凝膠。
[0059]3.02超級絕熱導線、導管的形態類型、其基本構造:以電流導線為例
[0060]3.02.01形態一:實心包裹形態
[0061]本發明的一個代表性實例是「超級絕熱電流導線」，其典型結構特徵如(圖1)所示。「超級絕熱電流導線」是在常規電線的基礎上再進行徑向超級絕熱封裝而完成的(圖1-1)。本發明製造路線以最廣泛使用的銅芯或鋁芯漆包線或銅芯塑包線為示範，如(圖1-2)所示，從內到外，其典型結構與材料包括:(a*0001)導電銅芯、鋁芯等；(a*0002)導電內芯的外保護層:絕緣漆、絕緣橡膠、工程塑料等；(a*0003) 「超級絕熱材料顆粒」徑向封裝套管(兼作導線外殼)。視應用需求而定，該套管材料可以使用合成樹脂、橡膠、工程塑料、金屬、陶瓷、天然纖維、人造纖維；(a*0004)具有「超級絕熱」指標的「超級絕熱材料顆粒」，優選的代表性實例是「超級絕熱氣凝膠微顆粒」，其製備形態如(圖2)所示。該形態類型「超級絕熱導線」兩個主要製造路線如(圖3)和(圖4)所示。
[0062]這一「實心包裹形態」的「超級絕熱結構」適用於單位長度內體量較小的常規電流導線，如相關導線單位尺度內其體型巨大或質量絕大，則需採用下述「絕熱懸掛形態」的超級絕熱結構。
[0063]3.02.02形態二:「絕熱懸掛」【*專利3】形態
[0064]當導線或導管自重巨大，則在其安裝放置時，通常需要對導線或導管本身實施除兩端緊固固定之外的額外支撐，這是因為僅靠兩端固定與導線內芯一道不足以提供足夠強度以實現系統總重的支撐。如果按上述實心包裹形態實施製造，則成品就會面臨包裹層因機械強度不夠而出現崩潰失效的問題。這一困難，「絕熱懸掛」給出了完備的解決方案，如(圖5)所示。
[0065]3.03超級絕熱導線、導管的通用性製造路線
[0066]上述「超級絕熱電流導線」的「超級絕熱結構」同樣適用於「超級絕熱導管」的製造，只要把導線中的內芯換成需要「超級絕熱封裝」的「導管」就可。
[0067]上述「超級絕熱電流導線」的「超級絕熱結構」是通用性結構，其結構的超級絕熱設計路線及製造路線適用於不同應用場合的各類輸運管線(3.01.02)的超級絕熱封裝。
4.【專利附圖】

【附圖說明】
[0068]圖1超級絕熱導線(以電流導線為例)。
[0069]圖1-1用超級絕熱氣凝膠材料徑向封裝的超級絕熱導線示意圖(以電流導線為例)；
[0070]圖1-2超級絕熱導線同軸結構示意圖:
[0071](a*0001)常規導線的電芯；
[0072](a*0002)塑料絕緣層；
[0073](a*0003)超級絕熱氣凝膠微顆粒徑向封裝套管(兼作導線外殼);
[0074](a*0004)超級絕熱氣凝膠顆粒包裹層。
[0075]圖2超級絕熱氣凝膠顆粒(以二氧化矽或三氧化二鋁氣凝膠為例)。
[0076]圖2-1超級絕熱氣凝膠原始製備的塊狀樣品(典型尺度約5nm_lcm)；
[0077]圖2-2用機 械破碎研磨大塊樣品而初步製得小顆粒(顆粒直徑10 μ m_0.lmm)；[0078]圖2-3進進一步精細研磨篩選而獲得直徑更小的微顆粒(顆粒直徑IOOnm-1O μ m)。
[0079]圖3實心包裹形態的超級絕熱導線製造路線一。
[0080]圖3-1準備常規導線；
[0081]圖3-2準備超級絕熱氣凝膠微顆粒徑向封裝套管(a*0003)；
[0082]圖3-3超級絕熱氣凝膠微顆粒封裝預備:導線與徑向封裝套管同軸定位；然後可以向套管裡填充氣凝膠顆粒；
[0083]圖3-4超級絕熱氣凝膠微顆粒封裝的「超級絕熱導線」成品構型示意圖；(a*0005)超級絕熱氣凝膠顆粒包裹層端面保護片。
[0084]圖4實心包裹形態的超級絕熱導線製造路線二。
[0085]圖4-1用超級絕熱氣凝膠微顆粒轉移膠帶」包裹導線:
[0086](a*0006_01)氣凝膠顆粒轉移膠帶顆粒層邊緣緊固條:硬質轉移膠帶條(側邊I襯下)；
[0087](a*0006_02)氣凝膠顆粒轉移膠帶顆粒層邊緣緊固條:硬質轉移膠帶條(側邊I蓋上);
[0088](a*0007-01)氣凝膠顆粒轉移膠帶顆粒層邊緣緊固條:硬質轉移膠帶條(側邊2襯下)；
[0089](a*0007_02)氣凝膠顆粒轉移膠帶顆粒層邊緣緊固條:硬質轉移膠帶條(側邊2蓋上);
[0090](a*0008_02)氣凝膠顆粒轉移膠帶顆粒層邊緣緊固條:硬質轉移膠帶條(橫邊I蓋上)；
[0091](a*0009-01)氣凝膠顆粒轉移膠帶顆粒層轉移膠帶(相對柔性)(襯下)；
[0092](a*0009-02)氣凝膠顆粒轉移膠帶顆粒層轉移膠帶(相對柔性)(蓋上)；
[0093](a*0010_01)氣凝膠顆粒轉移膠帶襯紙(襯下)。
[0094]圖4-2導線被超級絕熱氣凝膠微顆粒包裹示意圖；(a*0005)超級絕熱氣凝膠顆粒包裹層端面保護片。
[0095]圖4-3用諸如可以耐受超正常溫度的柔性聚合物薄膜等材料(a*0010)包裹超級絕熱氣凝膠微顆粒層。
[0096]圖5 「絕熱懸掛」【*專利3】形態的超級絕熱導線(以電流導線為例)。
[0097]先用絕熱懸掛線(絕熱的超級纖維)把常規導線按「立方懸掛」結構懸掛於剛性懸掛支架(b*0001，DlD2D3D4D5D6D7D8)上；然後在該剛性懸掛支架與導線之間的空間填充超級絕熱氣凝膠微顆粒以完成基於絕熱懸掛的徑向絕熱封裝。
5.【具體實施方式】
[0098]5.01超級絕熱導線製造工藝:以電流導線為例
[0099]5.01.01超級絕熱電流導線的結構及其所用材料
[0100]本發明的一 個代表性實例是「超級絕熱電流導線」，其典型結構特徵如(圖1)所示。「超級絕熱電流導線」是在常規電線的基礎上再進行徑向超級絕熱封裝而完成的(圖1-1)。本發明製造路線以最廣泛使用的銅芯或鋁芯漆包線或銅芯塑包線為示範，如(圖1-2)所示，從內到外，其典型結構與材料包括:(a*0001)導電銅芯、鋁芯等；(a*0002)導電內芯的外保護層:絕緣漆、絕緣橡膠、工程塑料等；(a*0003) 「超級絕熱材料顆粒」徑向封裝套管(兼作導線外殼)；(a*0004)具有「超級絕熱」指標的「超級絕熱材料顆粒」，優選的代表性實例是「超級絕熱氣凝膠微顆粒」。
[0101](a*0001)導電銅芯、鋁芯、金芯、銀芯、其它所有符合應用要求的導電金屬及其合金；導電聚合物、人工微結構材料、納米管/線/纖維束。
[0102](a0002)導電內芯的外保護層:絕緣漆、絕緣橡膠、工程塑料等；
[0103](a*0003) 「超級絕熱材料顆粒」徑向封裝套管(兼作導線外殼)。視應用需求而定，該套管材料可以使用合成樹脂、橡膠、工程塑料、金屬、陶瓷、天然纖維、人造纖維。
[0104](a*0004)具有「超級絕熱」指標的「超級絕熱材料顆粒」，優選的代表性實例是「超級絕熱氣凝膠微顆粒」;有多種材料可以用來實現「超級絕熱」功能而可以被用為本發明所指稱的「超級絕熱材料」，其中本發明優選的代表性的「超級絕熱材料」是「顆粒直徑範圍(0.1 μ m-100 μ m)的/具有超高多孔度(90%-99% )的/且具有超低熱導率的/超級絕熱二氧化矽(SiO2)或三氧化二鋁(Al2O3)氣凝膠顆粒」；非化學計量比的氧化矽(SixOy)和氧化鋁(AlxOy)的「超級絕熱氣凝膠顆粒」同樣適用(3.01.09)； [0105]本發明技術路線其它可以用以實現「超級絕熱」的「超級絕熱氣凝膠」的還包括所有金屬氧化物氣凝膠、半導體氧化物氣凝膠、合金氧化物氣凝膠、無機鹽氣凝膠、金屬氫氧化物氣凝膠、聚合物氣凝膠、聚合物-無機物複合氣凝膠、以及上述材料的混合/化合/複合結構氣凝膠(3.01.10)。
[0106]5.01.02製備「超級絕熱氣凝膠顆粒」的方法
[0107]「超級絕熱電流導線」所用的「超級絕熱氣凝膠顆粒」的優選實例是以「超高多孔度的二氧化矽氣凝膠塊材」為原材料經「機械破碎/研磨/篩選」後獲得的(圖2)。以超高多孔度的二氧化矽氣凝膠材料為例，其剛製備的樣品由於材料內部應變自然破碎，所得材料一般也不規則(圖2-1)，經簡單加工破碎的顆粒大小也仍然不一致(顆粒直徑10 μ m-0.lmnn)(圖2_2)，要想獲得直徑一致的氣凝膠顆粒，我們還需對原始顆粒樣品進行標準程序的「剪切破碎/初級篩選/初級球磨/更細篩選/更細球磨/…」，直至獲得滿足設計要求的氣凝膠顆粒(圖2-3)，其通常所用顆粒的典型直徑在(ΙΟΟηπι-ΙΟΟμπι)範圍。
[0108]上述「具有超高多孔度的超級絕熱氣凝膠」材料機械強度差，非常容易破碎，而作為「超級絕熱材料」使用時，其應用範式要求其必須包裹在系統外圍(以實現絕熱)，所以它因往往難以承受系統重量而崩潰，並因此在崩潰方向部分失去「超級絕熱」性能而致系統「超級絕熱」失效。這也是它們通常難以被廣泛使用的原因之一，即超高多孔度的氣凝膠材料不適於自支撐系統【*專利3】。在本發明「超級絕熱導線、導管」的實施路線中，其結構中以「具有超高多孔度(90% -99% )的超級絕熱氣凝膠顆粒」為主要絕熱功能材料。如(圖1-2)所示，其顆粒直徑依據應用需求而定，範圍一般在(0.1 μ m-100 μ m)。之所以超級絕熱氣凝膠材料的機械強度弱點在這裡並不影響其應用於「超級絕熱導線」，主要是因為導線內芯提供了足夠的抗拉強度，且「超級絕熱氣凝膠顆粒」包裹層外保護殼亦提供了相當大的抗拉強度。
[0109]5.01.03實心包裹形態的「超級絕熱電流導線」第一種製造路線
[0110]—氣凝膠顆粒灌注成型法[0111]本發明給出「超級絕熱電流導線」兩種示範性製造路線的基本工藝步驟。第一種製造路線如(圖3)所示，這是一種通過模具輔助成型的辦法，即使用預先製造的徑向封裝套管與導線構成同軸結構，套管的內直徑大於導線絕緣漆包裹層的外直徑，這樣導線與徑向封裝套管之間的空間就是氣凝膠顆粒填充空間，而徑向封裝套管的內直徑與導線絕緣漆包裹層的外直徑之差就是預先所設計的「超級絕熱氣凝膠顆粒包裹層」的應用需求厚度d ；然後直接向套管與導線見空隙填充氣凝膠顆粒即可:(圖3-1)準備「常規導線」以備封裝；(圖3-2)準備「超級絕熱氣凝膠微顆粒徑向封裝套管」以備封裝；(圖3-3)超級絕熱氣凝膠微顆粒封裝預備:導線與徑向封裝套管同軸定位；然後可以直接向套管裡填充氣凝膠顆粒；(圖3-4)安裝「超級絕熱氣凝膠顆粒包裹層端面保護片」(a*0005)，完成「徑向超級絕熱封裝」，「超級絕熱導線」製造完成。
[0112]上述示範工藝只是為了說明製造「超級絕熱電流導線」的一般步驟，如不使用專用設備和工具，這樣直接填充氣凝膠顆粒的方法僅小量製造模式而不適於大規模生產。
[0113]為此我們開發了兩種有關「超級絕熱導線的大規模製造方法，其一:氣凝膠顆粒灌注成型法【*專利18】；其二:氣凝膠顆粒轉移膠帶包裹法【*專利19】。
[0114]例如，以」氣凝膠顆粒灌注成型法」為例，一般而言，實現灌注的方式多樣，不一而足，下述僅列舉一示範性灌注成型操作以顯示該製造路線的可行性，但並非暗示其製造路線僅限於下述方法:①.01固定導線一端.02安裝氣凝膠顆粒溶液進料口 ；注:該進料口的詳細描述參閱【*專利18】;②再把「超級絕熱氣凝膠微顆粒徑向封裝套管」同軸套在導線外面，並固定；③在導線一端安裝過濾閥門，該閥門所用濾紙的孔徑小於所用的「超級絕熱氣凝膠微顆粒」的直徑；該閥門用於下述通過抽取氣凝膠顆粒溶液進行灌注時阻隔氣凝膠顆粒被移液泵吸走，該過濾閥門主要是為了用來過濾氣凝膠顆粒溶液的溶劑；注:該過濾閥門的詳細描述參閱【*專利18】。④.01固定導線另一端，並拉緊導線使得導線位於套管的中心軸線上02把「超級絕熱氣凝膠顆粒」(圖2)倒入乙醇或丙酮或其它適用的液體以製作氣凝膠顆粒稠溶液.03然後用移液泵從安裝有過濾閥門處抽取，使得氣凝膠顆粒溶液從「徑向封裝套管」的另一端向裡灌注.04在「徑向封裝套管」的另一端底部安裝有過濾紙以防氣凝膠顆粒漏走；當「徑向封裝套管」被氣凝膠顆粒灌滿後，均勻振動導線以搖實管內氣凝膠顆粒(顆粒振實)05如需要再補充灌注氣凝膠顆粒，再重複顆粒振實步驟.06加熱以促進溶劑蒸發以獲得乾燥的氣凝膠顆粒包裹層。⑤拆下固定的導線；⑥安裝「超級絕熱氣凝膠顆粒包裹層端面保護片」。
[0115]5.01.04實心包裹形態的「超級絕熱電流導線」第二種製造路線
[0116]——氣凝膠顆粒轉移膠帶包裹法
[0117]第二種製造路線如(圖4)所示，用「超級絕熱氣凝膠顆粒膜(超級絕熱氣凝膠顆粒轉移膠帶紙)?*專利17】包裹電線(圖4-1);包裹後形態如(圖4-2)所示；最後採用諸如「可以耐受超正常溫度的柔性聚合物薄膜」等材料包裹「超級絕熱氣凝膠微顆粒層」(圖4-3)。採用「超級絕熱氣凝膠顆粒轉移膠帶紙」包裹電線這一製造路線方法簡單，製造難度低，而且氣凝膠包裹層的厚度可以簡單用所包裹的圈數來控制，但轉移膠帶紙(雙面膠帶紙)工藝引入了相關膠體，膠體的使用一方面降低了氣凝膠微顆粒包裹層的絕熱效能，另一方面膠體的耐溫性能問題亦反向影響產品的應用溫區設計。值得指出的是，如(圖4)所示的轉移膠帶的包裹方式也屬於小量生產模式，且所造導線的長度受轉移膠帶寬度限制。為此我們開發與之相關的基於「氣凝膠顆粒轉移膠帶包裹法」大規模生產方式【*專利19】。(圖4-1)所示關於」超級絕熱氣凝膠顆粒轉移膠帶紙」物理細節描述請參閱【*專利17】。
[0118]5.01.05 「絕熱懸掛」【*專利3】形態的「超級絕熱電流導線」製造路線
[0119]—絕熱懸掛-氣凝膠顆粒灌注成型法
[0120]如(圖5)所示，先用「絕熱懸掛線」把常規導線按「立方懸掛」【*專利3】結構懸掛於剛性懸掛支架 _001，d1d2d3d4d5d6d7d8)上；其中 Dl、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8 是 8個絕熱懸掛點，連接該8個點與導線的8條線是「絕熱懸掛線」；針對專有應用場合，「絕熱懸掛線」可以使用更高耐熱指標的更高機械強度的人工合成超級纖維。其中可以選用的超級纖維有【*文獻23~28】:①特氟龍纖維(Teflon?美國杜邦公司):聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene),簡稱 PTFE 或 F4。能勝任的工作溫區是(-196°C ~+30CTC )【*文獻25】；②芳糹侖纖維:芳香族聚醯胺纖維繫列(Aramid fibers),材料無熔點，耐熱溫度400°C (m-Aramid),550°C (p-Aramid)【*文獻28】；美國杜邦公司商品KEVLAR?凱芙拉-49纖維(聚對苯二甲醯對苯二胺，PPTA),美國DuPont公司商品Kevlar凱芙拉-29纖維(聚對苯甲醯胺纖維，PBA)【*文獻26】，和美國DuPont公司商品「諾美克絲」NOMEX?聚間苯二甲醯間苯二胺【*文獻27】；③最綸纖維:最綸纖維的化學構成是聚對苯撐苯並二A惡唑【poly (p-phenylene-2,6-benzobisoxazole),簡稱PB0】。其商業化製造商為日本東洋紡公司(Toyobo)，商品名「最綸」Zylon?【*文獻28】。最綸纖維耐熱溫度650°C，是所有有機纖維中耐熱溫度最高的纖維；④高性能聚合物纖維混紡線聚合物與無機物微米/納米纖維束混紡線；聚合物表面覆層的金屬或半導體氧化物微米/納米纖維束；然後在該「剛性懸掛支架」與「導線」之間的空間填充「超級絕熱氣凝膠微顆粒」以完成基於「絕熱懸掛」的「徑向絕熱封裝」。
[0121](圖5)所示的結構由於存在懸掛線而不適於大規模生產，為此我們開發了一種大規模生產「絕熱懸掛」形態的「超級絕熱電流導線」的方法:「絕熱懸掛-氣凝膠顆粒灌注成型法」【*專利20】。
[0122]5.02超級絕熱導管的基本構造與製造工藝:以電流導線為例
[0123]上述製造路線以適於電流導線的材料、結構、應用的相關參數為基準而設計實施的，這一製造路線同樣適於「超級絕熱導管」的製造。例如，把導線中的內芯換成待「超級絕熱封裝」的導管(油管、氣管、液管)，其它步驟都如同「超級絕熱電流導線」的製造步驟。
[0124]5.03兩種典型結構與示範性製造方法
[0125]「超級絕熱導線、導管」的一個典型產品實例「超級絕熱電流導線」的兩種典型結構和三種示範性製造方法是具有通用性的。其兩種典型結構是(I)實心包裹形態的「超級絕熱電流導線」和(2)絕熱懸掛形態的「超級絕熱電流導線」;其三種示範性製造方法是用於製造實心包裹形態的「超級絕熱電流導線」的(I) 「氣凝膠顆粒灌注成型法」和(2) 「氣凝膠顆粒轉移膠帶包裹法」;以及用於製造絕熱懸掛形態的「超級絕熱電流導線」的(3) 「絕熱懸掛-氣凝膠顆粒灌注成型法」。【*注:這兩種結構是幾乎所有類型「超級絕熱導線、導管」都可以採用的通用結構；這三種製造方法是幾乎所有類型「超級絕熱導線、導管」都可以採用的製造方法。——其「所有類型」指的是(I)形態、尺度、結構、材料各異的導線/管；(2)可以用來輸運「特定物質或能量形態」的線型材料或管型材料，其可輸運的「特定物質或能量形態」涉及:電 荷(電子、空穴、離子、極化的顆粒或結構實體)、等離子體、基本粒子、顆粒:膠超微顆粒溶液的毛細吸附作用以形成相
&開了一類採用「超級絕熱材料」對「導線」、級絕熱封裝」技術及其具體實施方法；「徑定的「超級絕熱」性能而可以有效屏蔽「導5絕熱導線、導管」適用於「超正常溫度」環常溫度在內的任何溫度環境下的應用。來輸運「特定物質或能量形態」的線型材料涉及:電荷(電子、空穴、離子、極化的顆粒(全同粒子)、熱(聲子)、光、機械波(聲商體(超流態液氦)、膠體、凝聚體(凝聚態:的「超級絕熱」的主要物理指標之一是在1熱導率低於同環境條件下的空氣的熱導率；均低於同環境溫度下空氣的熱導率。大致為75%及以上)我們往往稱這樣高多孔度的多孔結構材料為「氣凝膠」。
[0136]5.06.06 「超級絕熱導線、導管」所用「超級絕熱氣凝膠」的代表性實例是「顆粒直徑範圍約(0.1 μ m-100 μ m)的/具有超高多孔度(90^-99%)的/也即具有超低熱導率的/超級絕熱二氧化矽(SiO2)氣凝膠顆粒或三氧化二鋁(Al2O3)氣凝膠顆粒」;非化學計量比的氧化矽(SixOy)和氧化鋁(AlxOy)的超級絕熱氣凝膠顆粒同樣適用。「超級絕熱導線、導管」所優選的一類「多孔二氧化矽(SiO2)氣凝膠顆粒」的熱導率可以低至0.012-0.019W/m.K，其對應的結構材料密度為0.170-0.228g/cm3，對應的多孔度為(92.3% -89.6% );多孔度89.6%的二氧化矽氣凝膠顆粒的熱導率已經低於環境溫度300K(27°C )時空氣的熱導率0.026ff/m.K ;而多孔度為92.3%的二氧化矽氣凝膠顆粒的熱導率為0.012ff/m.K，該數值甚至低於溫度為-100°C空氣的熱導率0.0158ff/m.K。
[0137]5.06.07 「超級絕熱導線、導管」所可以使用的其它可用以實現「超級絕熱」的「超
級絕熱氣凝膠」包括所有金屬氧化物氣凝膠、半導體氧化物氣凝膠、合金氧化物氣凝膠、無機鹽氣凝膠、金屬氫氧化物氣凝膠、聚合物氣凝膠、聚合物-無機物複合氣凝膠、以及上述材料的混合/化合/複合結構氣凝膠:
[0138](甲)「超級絕熱氧化物氣凝膠」可以用作「超級絕熱導線、導管」所用的「超級絕熱材料」，其典型實例包括:(一)相對安全的材質=Cr2O3氣凝膠、Fe3O4氣凝膠、Rh2O3氣凝膠、IrO2氣凝膠、WO3氣凝膠、MgO氣凝膠、Li2O氣凝膠、Ga2O3氣凝膠、In2O3氣凝膠；(二)貴重金屬材質=PdO氣凝膠、PtO氣凝膠、Au2O3氣凝膠、Ag2O氣凝膠；(三)危險材質(毒、腐蝕、刺激性、或存在室溫條件下的危險反應)=Co2O3氣凝膠、CoO氣凝膠、BeO氣凝膠、V2Os氣凝膠、NiO氣凝膠、Ni2O3氣凝膠、CdO氣凝膠、BaO氣凝膠、MoO3氣凝膠、RuO2氣凝膠、PbO氣凝膠、Tl2O3氣凝膠、HgO氣凝膠、As2O3氣凝膠、As2O5氣凝膠、ZrO2氣凝膠、SeO2氣凝膠、SeO3氣凝膠、SrO凝膠、Nb2Os氣凝膠、CuO氣凝膠、Cu2O氣凝膠、MnO2氣凝膠、MnO氣凝膠、CaO氣凝膠、ZnO氣凝膠、TiO2氣凝膠、Na2O氣凝膠、Sc2O3氣凝膠、Y2O3氣凝膠、Ta2O5氣凝膠、FeO氣凝膠、Fe2O3氣凝膠、TeO2氣凝膠、Bi2O3氣凝膠、SnO2氣凝膠、GeO2氣凝膠；(四)稀有、貴重或放射性材質(La系與Ac系材質):La2O3氣凝膠、Ac2O3氣凝膠、Ce2O3氣凝膠、CeO2氣凝膠、ThO2氣凝膠、Pr2O3氣凝膠、Pa2O3氣凝膠、PaO2氣凝膠、PaO氣凝膠、Nd2O3氣凝膠、UO2氣凝膠、Pm2O3氣凝膠、NpO2氣凝膠、Sm2O3氣凝膠、PuO2氣凝膠、Eu2O3氣凝膠、AmO2氣凝膠、Gd2O3氣凝膠、Cm2O3氣凝膠、Tb2O3氣凝膠、Bk2O3氣凝膠、Dy2O3氣凝膠、Cf2O3氣凝膠、Ho2O3氣凝膠、Er2O3氣凝膠、Tm2O3氣凝膠、Yb2O3氣凝膠、Lu2O3氣凝膠；
[0139](乙)「超級絕熱多元複合氧化物氣凝膠」可以用作「超級絕熱導線、導管」所用的「超級絕熱材料」，其典型實例包括:「鋁鎂合金氧化物氣凝膠」(AlxMgyOz)，「鐵鋁合金氧化物氣凝膠」 (FexAlyOz);矽酸鹽系列:「鋁矽合金氧化物氣凝膠」 (AlxSiyOz)、「鋁鎂矽合金氧化物氣凝膠」(AlMgxSiyOz)、或「鈣鎂矽合金氧化物氣凝膠」 Ca0.3Mg0.4Si02 (CaMg3Si4O12)；
[0140](丙)「超級絕熱氫氧化物氣凝膠」可以用作「超級絕熱導線、導管」所用的「超級絕熱材料」，其典型實例包括:A1 (OH) 3氣凝膠、Zn (OH) 2氣凝膠、Mg (OH) 2氣凝膠、Fe (OH) 3氣凝膠、Ni (OH)2 氣凝膠、Cu (OH)2 氣凝膠、AlxSix (OH)z 氣凝膠、AlxNix (OH)z 氣凝膠、AlMgxSix (OH)z氣凝膠、CaMgxSix(OH)氣凝膠；
[0141](丁)「超級絕熱硫酸鹽、硝酸鹽、磷酸鹽、碳酸鹽氣凝膠」可以用作「超級絕熱導線、導管」所用的「超級絕熱材料」，其典型實例包括=Al2 (SO4) 3氣凝膠、AlPCV5氣凝膠(低多孔度的材料通常稱為分子篩)、FexAlyPCV5氣凝膠。
[0142]5.06.08本發明公開了 「超級絕熱導線、導管」的一個典型產品實例「超級絕熱電流導線」的兩種典型結構和三種示範性製造方法:兩種典型結構是(I)實心包裹形態的「超級絕熱電流導線」和(2)絕熱懸掛形態的「超級絕熱電流導線」;三種示範性製造方法是用於製造實心包裹形態的「超級絕熱電流導線」的(I) 「氣凝膠顆粒灌注成型法」和(2) 「氣凝膠顆粒轉移膠帶包裹法」;以及用於製造絕熱懸掛形態的「超級絕熱電流導線」的(3) 「絕熱懸掛-氣凝膠顆粒灌注成型法」;這兩種結構和三種製造方法適用於幾乎所有類型「超級絕熱導線、導管」。
[0143]*注:其「所有類型」指的是(I)形態、尺度、結構、材料各異的導線/管；(2)可以用來輸運「特定物質或能量形態」的線型材料或管型材料，其可輸運的「特定物質或能量形態」涉及:電荷(電子、空穴、離子、極化的顆粒或結構實體)、等離子體、基本粒子、顆粒集合體(全同粒子)、熱(聲子)、光、機械波(聲波)、電磁波、電場、磁場、電磁場、液體、氣體、超流體(超流態液氦)、膠體、凝聚體(凝聚態物質)、有限體積的真空幾乎所有類型超級絕熱導線/管」的「幾乎」指的是可能存在「有別於本發明所定義的超級絕熱導線/管」的特例。
[0144]5.06.09本發明所公開的「超級絕熱導線、導管」的一個典型產品實例「超級絕熱電流導線」的兩種典型結構和三種示範性製造方法可以不加改變地用於製造「超級絕熱光纖」，這是本發明所優選的第二個典型產品實例。
[0145]5.06.10本發明公開了一種「超級絕熱電流導線」所用的「超級絕熱二氧化矽氣凝膠顆粒」製造方法:用「超高多孔度的二氧化矽氣凝膠塊材」為原材料經「標準程序的「剪切破碎/初級篩選/初級球磨/更細篩選/更細球磨/…」，直至獲得滿足設計要求的氣凝膠顆粒，其通常所用顆粒的典型直徑在(IOOnm-1OOym)範圍。
[0146]6.引用的專利或專利申請書
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【權利要求】
1.本發明《超級絕熱導線、導管》公開了一類採用「超級絕熱材料」對「導線」、「導管」實施「超級絕熱」保護的通用性「徑向超級絕熱封裝」技術及其具體實施方法；「徑向超級絕熱封裝」使得該「導線」、「導管」具備一定的「超級絕熱」性能而可以有效屏蔽「導線」、「導管」與周邊環境的熱交換而使得該「超級絕熱導線、導管」適用於「超正常溫度」環境下的應用、以及相關超高精度系統的在包括正常溫度在內的任何溫度環境下的應用。
2.「導線」、「導管」指的是可以用來輸運「特定物質或能量形態」的線型材料或管型材料，其可輸運的「特定物質或能量形態」涉及:電荷(電子、空穴、離子、極化的顆粒或結構實體)、等離子體、基本粒子、顆粒集合體(全同粒子)、熱(聲子)、光、機械波(聲波)、電磁波、電場、磁場、電磁場、液體、氣體、超流體(超流態液氦)、膠體、凝聚體(凝聚態物質)、有限體積的真空。
3.「超級絕熱導線、導管」所指稱的「超級絕熱」的主要物理指標之一是在I標準大氣壓下環境溫度27°C時所用絕熱材料的熱導率低於同環境條件下的空氣的熱導率；進一步更加要求在其所工作的溫區內，其熱導率均低於同環境溫度下空氣的熱導率。
4.「超級絕熱導線、導管」所指稱的「超正常溫度」有如下基於實用層面的約定:其一，以人居地表環境的常規溫度為參照，我們約定-50°C以下的環境溫度為超正常低溫，大於+50°C以上的環境溫度為超正常高溫；其二，以大氣層外空間及宇宙深空的環境溫度為參照，我們定義-200°C至_270°C以下的環境溫度為超正常低溫；其三，約定金屬鋁熔點+660.37°C至金屬鐵熔點+1538°C為人居地表環境的超正常高溫。
5.本發明技術路線所優選的賴以實現「徑向超級絕熱封裝」的「超級絕熱材料」特指在應用環境下呈固態的、幾乎所有種類的具有超高多孔度的且具有超低熱導率的「多孔結構材料」。具體來說，構成多孔結構材料的材質可以是(一)固態無機物的單質、合金、化合物、混合物；(二)固態有機物的聚合物(合成纖維或多孔工程塑料等)、混合物、複合物(無機物與有機物的複合)；(三)上述這些材料的混合/化合/複合物；(四)以及所有上述材料所對應的人工微結構材料；當多孔結構材料的多孔度大到一定閾值後(通常大致為75%及以上)我們往往稱這樣高多孔度的多孔結構材料為「氣凝膠」。
6.「超級絕熱導線、導管」所用「超級絕熱氣凝膠」的代表性實例是「顆粒直徑範圍約(0.1 μ m-100 μ m)的/具有超高多孔度(90%-99% )的/也即具有超低熱導率的/超級絕熱二氧化矽(SiO2)氣凝膠顆粒」或三氧化二鋁(Al2O3)氣凝膠顆粒」;非化學計量比的氧化矽(SixOy)和氧化鋁(AlxOy)的超級絕熱氣凝膠顆粒同樣適用。「超級絕熱導線、導管」所優選的一類「多孔二氧化矽(SiO2)氣凝膠顆粒」的熱導率可以低至0.012-0.019W / m-K,其對應的結構材料密度為0.170-0.228g / cm3，對應的多孔度為(92.3% -89.6% );多孔度89.6%的二氧化矽氣凝膠顆粒的熱導率已經低於環境溫度300K(27°C )時空氣的熱導率0.026W / m.K ;而多孔度為92.3%的二氧化矽氣凝膠顆粒的熱導率為0.012W / m.K，該數值甚至低於溫度為-100°C空氣的熱導率0.0158W / m.K。
7.「超級絕熱導線、導管」所可以使用的其它可用以實現「超級絕熱」的「超級絕熱氣凝膠」包括所有金屬氧化物氣凝膠、半導體氧化物氣凝膠、合金氧化物氣凝膠、無機鹽氣凝膠、金屬氫氧化物氣凝膠、聚合物氣凝膠、聚合物-無機物複合氣凝膠、以及上述材料的混合/化合/複合結構氣凝膠: (甲)「超級絕熱氧化物氣凝膠」可以用作「超級絕熱導線、導管」所用的「超級絕熱材料」，其典型實例包括:(一)相對安全的材質=Cr2O3氣凝膠、Fe3O4氣凝膠、Rh2O3氣凝膠、IrO2氣凝膠、WO3氣凝膠、MgO氣凝膠、Li2O氣凝膠、Ga2O3氣凝膠、In2O3氣凝膠；(二)貴重金屬材質:PdO氣凝膠、PtO氣凝膠、Au2O3氣凝膠、Ag2O氣凝膠；(三)危險材質(毒、腐蝕、刺激性、或存在室溫條件下的危險反應)=Co2O3氣凝膠、CoO氣凝膠、BeO氣凝膠、V2O5氣凝膠、NiO氣凝膠、Ni2O3氣凝膠、CdO氣凝膠、BaO氣凝膠、MoO3氣凝膠、RuO2氣凝膠、PbO氣凝膠、Tl2O3氣凝膠、HgO氣凝膠、As2O3氣凝膠、As2O5氣凝膠、ZrO2氣凝膠、SeO2氣凝膠、SeO3氣凝膠、SrO凝膠、Nb2O5氣凝膠、CuO氣凝膠、Cu2O氣凝膠、MnO2氣凝膠、MnO氣凝膠、CaO氣凝膠、ZnO氣凝膠、TiO2氣凝膠、Na2O氣凝膠、Sc2O3氣凝膠、Y2O3氣凝膠、Ta2O5氣凝膠、FeO氣凝膠、Fe2O3氣凝膠、TeO2氣凝膠、Bi2O3氣凝膠、SnO2氣凝膠、GeO2氣凝膠；(四)稀有、貴重或放射性材質(La系與Ac系材質):La203氣凝膠、Ac2O3氣凝膠、Ce2O3氣凝膠、CeO2氣凝膠、ThO2氣凝膠、Pr2O3氣凝膠、Pa2O3氣凝膠、PaO2氣凝膠、PaO氣凝膠、Nd2O3氣凝膠、UO2氣凝膠、Pm2O3氣凝膠、NpO2氣凝膠、Sm2O3氣凝膠、PuO2氣凝膠、Eu2O3氣凝膠、AmO2氣凝膠、Gd2O3氣凝膠、Cm2O3氣凝膠、Tb2O3氣凝膠、Bk203氣凝膠、Dy2O3氣凝膠、Cf2O3氣凝膠、Ho2O3氣凝膠、Er2O3氣凝膠、Tm2O3氣凝膠、Yb2O3氣凝膠、Lu2O3氣凝膠； (乙)「超級絕熱多元複合氧化物氣凝膠」可以用作「超級絕熱導線、導管」所用的「超級絕熱材料」，其典型實例包括:「鋁鎂合金氧化物氣凝膠」(AlxMgyOz)，「鐵鋁合金氧化物氣凝膠」 (FexAlyOz);矽酸鹽系列:「鋁矽合金氧化物氣凝膠」 (AlxSiyOz)、「鋁鎂矽合金氧化物氣凝膠」(AlMgxSiyOz)、或「鈣鎂矽合金氧化物氣凝膠」 Ca0.3Mg0.4Si02 (CaMg3Si4O12)； (丙)「超級絕熱氫氧化物氣凝膠」可以用作「超級絕熱導線、導管」所用的「超級絕熱材料」，其典型實例包括:A1 (OH) 3氣凝膠、Zn (OH) 2氣凝膠、Mg (OH) 2氣凝膠、Fe (OH) 3氣凝膠、Ni (OH)2 氣凝膠 、Cu(OH)2 氣凝膠、AlxSix(OH)z 氣凝膠、AlxNix(OH)z 氣凝膠、AlMgxSix(OH)z 氣凝膠、CaMgxSix (OH)氣凝膠； (丁)「超級絕熱硫酸鹽、硝酸鹽、磷酸鹽、碳酸鹽氣凝膠」可以用作「超級絕熱導線、導管」所用的「超級絕熱材料」，其典型實例包括=Al2 (SO4) 3氣凝膠、AlPCV5氣凝膠(低多孔度的材料通常稱為分子篩)、FexAlyPCV5氣凝膠。
8.本發明公開了「超級絕熱導線、導管」的一個典型產品實例「超級絕熱電流導線」的兩種典型結構和三種示範性製造方法:兩種典型結構是(I)實心包裹形態的「超級絕熱電流導線」和(2)絕熱懸掛形態的「超級絕熱電流導線」;三種示範性製造方法是用於製造實心包裹形態的「超級絕熱電流導線」的⑴「氣凝膠顆粒灌注成型法」和⑵「氣凝膠顆粒轉移膠帶包裹法」;以及用於製造絕熱懸掛形態的「超級絕熱電流導線」的⑶「絕熱懸掛-氣凝膠顆粒灌注成型法」;這兩種結構和三種製造方法適用於用於幾乎所有類型「超級絕熱導線、導管」。 *注:其「所有類型」指的是(I)形態、尺度、結構、材料各異的導線/管；(2)可以用來輸運「特定物質或能量形態」的線型材料或管型材料，其可輸運的「特定物質或能量形態」涉及:電荷(電子、空穴、離子、極化的顆粒或結構實體)、等離子體、基本粒子、顆粒集合體(全同粒子)、熱(聲子)、光、機械波(聲波)、電磁波、電場、磁場、電磁場、液體、氣體、超流體(超流態液氦)、膠體、凝聚體(凝聚態物質)、有限體積的真空；「幾乎所有類型超級絕熱導線/管」的「幾乎」指的是可能存在「有別於本發明所定義的超級絕熱導線/管」的特例。
9.本發明所公開的「超級絕熱導線、導管」的一個典型產品實例「超級絕熱電流導線」的兩種典型結構和三種示範性製造方法可以不加改變地用於製造「超級絕熱光纖」，這是本發明所優選的第二個典型產品實例。
10.本發明公開了一種「超級絕熱電流導線」所用的「超級絕熱二氧化矽氣凝膠顆粒」製造方法:用「超高多孔度的二氧化矽氣凝膠塊材」為原材料經「標準程序的「剪切破碎/初級篩選/初級球磨/更細篩選/更細球磨/…」，直至獲得滿足設計要求的氣凝膠顆粒，其通常所用顆粒的典型直徑在(IOOnm-1OOym)範圍。
【文檔編號】F16L59/02GK103836304SQ201310430599
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2013年9月18日 優先權日:2013年9月18日
【發明者】濮琳, 施毅, 張 榮, 鄭有炓 申請人:蘇州源正熱伏有限公司