嚴(yán)開祺，王 平，張敬杰（.中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所 航天低溫推進(jìn)劑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 0090；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 00049）

空心玻璃微球低溫絕熱性能研究進(jìn)展

嚴(yán)開祺1，2，王 平1，2，張敬杰1
（1.中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所 航天低溫推進(jìn)劑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

空心玻璃微球作為一種新型高性能粉末材料，特殊的球形空心結(jié)構(gòu)使其在低溫絕熱領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。文章綜述了空心玻璃微球與珠光砂、氣凝膠等粉末絕熱材料和真空多層材料以及單純高真空的低溫絕熱性能對(duì)比研究，并進(jìn)一步綜述了空心玻璃微球本身性能變化和金屬包覆對(duì)其低溫絕熱性能的影響研究。另外，還介紹了微球絕熱系統(tǒng)在1 000 L、22 700 L和218 000 L儲(chǔ)罐中的實(shí)際應(yīng)用情況。

空心玻璃微球；低溫絕熱；低溫儲(chǔ)罐

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，低溫技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域得到了大幅度的拓展。其中，低溫絕熱與貯存運(yùn)輸技術(shù)是獲得與保持低溫、實(shí)現(xiàn)低溫技術(shù)應(yīng)用的必不可少的手段。低溫絕熱與貯存運(yùn)輸技術(shù)推動(dòng)了液氫（LH2）、液氧（LO2）、液化天然氣等低溫氣體儲(chǔ)存、運(yùn)輸、利用和回收。低溫絕熱與貯存運(yùn)輸技術(shù)效率高低的關(guān)鍵是絕熱材料的應(yīng)用。

近年來，一種新型高性能材料空心玻璃微球（Hollow Glass Microspheres，HGM），被廣泛用于保溫隔熱領(lǐng)域。HGM是一種新型無機(jī)非金屬球形粉體材料，由直徑1～200 μm及以上的球形薄壁（0.5～2.0 μm）玻璃微粒組成，是一種內(nèi)部充斥CO2等氣體的封閉微型球體。由于HGM獨(dú)特的球形組合，具有滾軸效應(yīng)，且其粒徑小、質(zhì)輕、機(jī)械強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性能低、介電常數(shù)小、機(jī)械強(qiáng)度高、耐化學(xué)腐蝕，因此被廣泛應(yīng)用于軍事、民用及其他高科技領(lǐng)域［1-3］。

將HGM用于真空粉末絕熱，將發(fā)揮出其許多優(yōu)點(diǎn)。HGM為球形度很好的剛性空心微球，顆粒之間為點(diǎn)接觸，空心結(jié)構(gòu)使得熱傳導(dǎo)路徑延長(zhǎng)，能有效降低接觸導(dǎo)熱；HGM為閉孔微球，將氣體封存在球體內(nèi)部，較大限度的阻止氣體流動(dòng)傳熱，另外采取有效手段對(duì)HGM進(jìn)行粒徑分級(jí)，達(dá)到理想的堆積狀態(tài)，可以使氣體導(dǎo)熱降到最低值，達(dá)到理想的絕熱效果；HGM為帶有致密球殼的閉孔微球，通過控制粒度，可以較大限度的對(duì)熱輻射進(jìn)行散射；利用微觀表面工程技術(shù)對(duì)HGM進(jìn)行金屬鍍膜，得到高性能絕熱粉體材料，可以有效避免金屬粉體在真空絕熱空間分散不均、沉降的問題，進(jìn)而有效的降低輻射傳熱。文章綜述了HGM在低溫絕熱領(lǐng)域的研究和應(yīng)用。

1 HGM低溫絕熱性能研究

對(duì)于HGM本身，當(dāng)存在溫差時(shí)，熱傳導(dǎo)發(fā)生在每個(gè)微球自身之間和微球與微球點(diǎn)接觸之間。氣體被封閉在玻璃微球中，這是阻止微球中氣體對(duì)流傳熱的最有效的方法。但是微球尺寸是直接影響微球內(nèi)氣體能否發(fā)生對(duì)流傳熱的因素，而微球直徑又決定了微球內(nèi)氣流對(duì)流的流動(dòng)阻力，Skochdopole［4］指出當(dāng)微球內(nèi)徑小于4 mm時(shí)，氣體流動(dòng)阻力極高，顆粒內(nèi)部氣體對(duì)流停止。HGM的粒子內(nèi)徑通常為幾十到幾百微米，所以HGM內(nèi)部基本不會(huì)發(fā)生氣體對(duì)流。另外，對(duì)于由孔徑小于1 mm的微粒堆積構(gòu)成的絕熱材料而言，在大氣壓環(huán)境下的對(duì)流換熱也可忽略不計(jì)［5］。因此將HGM應(yīng)用于真空低溫絕熱有很大潛力，國(guó)外自上世紀(jì)70年代開始研究HGM低溫絕熱性能，并于本世紀(jì)初開始進(jìn)行應(yīng)用研究，而國(guó)內(nèi)的研究幾乎還沒有開始。

圖1 HGM結(jié)構(gòu)示意圖1.薄壁；2.N2、CO2等；3.微米

1.1 HGM與現(xiàn)有低溫絕熱材料性能對(duì)比

目前常用于低溫真空絕熱領(lǐng)域的粉體材料包括珠光砂和氣凝膠。珠光砂是目前在真空粉末絕熱中使用最廣泛的材料之一，屬于膨脹珍珠巖材料，是由酸性火山玻璃質(zhì)熔巖經(jīng)破碎、預(yù)熱、焙燒膨脹而制成的具有多孔結(jié)構(gòu)的白色、粒狀松散材料。珠光砂具有密度小、導(dǎo)熱系數(shù)低、化學(xué)穩(wěn)定性好、不燃、無毒、無味、吸音等特性。然而其最大的缺點(diǎn)在于多孔結(jié)構(gòu)造成一定的熱輻射透明度且有很強(qiáng)的吸濕性，造成絕熱性能的下降。

氣凝膠是近年發(fā)展起來的一種超級(jí)絕熱材料［6］，結(jié)構(gòu)特征是擁有高通透性的圓筒形多分枝納米多孔三位網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，擁有極高孔洞率、極低的密度、高比表面積、超高孔體積率，其體密度在0.003～0.500 g/cm3內(nèi)可調(diào)。作為絕熱材料，硅氣凝膠纖細(xì)的納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有效的限制了局域熱激發(fā)的傳播，其固態(tài)熱導(dǎo)率比相應(yīng)的玻璃態(tài)材料低2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。由于氣凝膠內(nèi)部顆粒達(dá)到納米量級(jí)，所以光波經(jīng)過時(shí)散射較?。ㄈ鹄⑸洌?，就像陽光經(jīng)過空氣一樣，因而氣凝膠對(duì)熱輻射的散射效應(yīng)也很小。另外，氣凝膠中氣孔的平均直徑小于0.1 μm，其對(duì)輻射的削弱基本靠粉末顆粒邊緣上輻射的散射，造成氣凝膠的熱輻射導(dǎo)熱較大。對(duì)比氣凝膠與珠光砂，珠光砂顆粒中氣孔的直徑為幾個(gè)微米，能較強(qiáng)烈的散射紅外輻射，使得同密度的珠光砂低溫真空熱導(dǎo)率比氣凝膠小。因此，氣凝膠在低溫絕熱中的應(yīng)用沒有優(yōu)勢(shì)。

為了對(duì)比HGM、珠光砂和氣凝膠的低溫真空熱導(dǎo)率，F(xiàn)esmire等［7］研究了HGM、珠光砂和氣凝膠在77～293 K和不同真空度下的熱導(dǎo)率，如圖2所示。

圖2 HGM、珠光砂、氣凝膠在不同真空度下的表觀熱導(dǎo)率［7］

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，HGM在高真空下（0.023 Pa）的熱導(dǎo)率為0.65 mW/m·K，低真空下（133.322 Pa）為7.8 mW/m·K，非真空下為22.1 mW/m·K。HGM在任何真空條件的熱導(dǎo)率都比珠光砂小，而與氣凝膠相比，常壓至幾百帕的真空環(huán)境中，HGM的熱導(dǎo)率較高，但真空度達(dá)到百帕以下時(shí)，HGM的熱導(dǎo)率小于氣凝膠。當(dāng)真空度進(jìn)一步提高時(shí)（1 333.2 Pa以下），珠光砂的熱導(dǎo)率也小于氣凝膠。

Scholtens等［8］模擬實(shí)際使用環(huán)境在25 mm的真空夾層中對(duì)比了單純真空、HGM、珠光砂和氣凝膠在78～293 K和不同真空度下的熱導(dǎo)率。HGM、珠光砂和氣凝膠的熱導(dǎo)率變化與Fesmire等所做的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，三者在13.3 Pa真空度以上的熱導(dǎo)率均比單純真空夾層的熱導(dǎo)率低。因此，HGM可以取代現(xiàn)有珠光砂和氣凝膠等粉體材料用于低溫真空絕熱。

除了與粉末材料相比，Baumgartner等［9］還研究了HGM與真空多層材料（MLI）的絕熱性能對(duì)比，用較便宜的HGM取代昂貴的MLI。實(shí)驗(yàn)對(duì)比了HGM、珠光砂和MLI（60層）在不同真空度下的熱導(dǎo)率變化（77～293 K），如圖3所示，結(jié)果表明HGM與MLI在所有真空度環(huán)境下熱導(dǎo)率都比珠光砂小，而HGM在大約4 Pa真空度以下熱導(dǎo)率小于60層MLI。因此，在真空度要求不高的條件下，HGM有明顯的優(yōu)勢(shì)，既能達(dá)到良好的絕熱效果，又便于安裝，且節(jié)約成本。

圖3 HGM與珠光砂、MLI（60層）低溫?zé)釋?dǎo)率變化趨勢(shì)［9］

HGM與珠光砂相比，除了熱導(dǎo)率比較小，在使用后期的維護(hù)也比珠光砂容易，這主要體現(xiàn)在真空保持、抗振動(dòng)和熱循環(huán)能力上。Allen等［10］進(jìn)行了HGM和珠光砂的真空保持能力測(cè)試。將等體積的HGM和珠光砂暴露在周圍環(huán)境中5天后抽真空8 h，HGM可以到達(dá)4.92×10-2Pa的真空度，而珠光砂則達(dá)到1.05×10-1Pa，隨后將真空閥關(guān)上進(jìn)行真空保持能力測(cè)試，如圖4所示。HGM在36 h后真空度基本穩(wěn)定在2.66 Pa，而珠光砂的真空度則超過了HGM并且還在持續(xù)下降。由此可見，HGM比珠光砂更不容易吸附空氣中的水蒸氣并且更容易達(dá)到穩(wěn)定的真空度。

Fesmire等［11］研究了一些絕熱材料的振動(dòng)和熱循環(huán)效應(yīng)。試驗(yàn)采用頂部帶有填充測(cè)試管的10 L低溫儲(chǔ)罐，絕熱材料填充到環(huán)形夾層中。在一次熱循環(huán)后，氣凝膠微球和珠光砂的高度分別下降了7 mm 和4 mm，而HGM的高度不但沒有下降，反而在抽氣過程中變蓬松，高度上升了9 mm。30次熱循環(huán)后，氣凝膠微球和珠光砂的高度分別下降了10 mm 和15 mm，而HGM的高度下降幾乎為0。為了模擬HGM作為絕熱填充層在真實(shí)環(huán)境中的應(yīng)用情況，根據(jù)Kennedy Space Center的航天飛機(jī)移動(dòng)發(fā)射平臺(tái)（Mobile Launch Platform，MLP）上的管道和儲(chǔ)罐的要求，Werlink等［12］做了更接近實(shí)際情況的振動(dòng)試驗(yàn)，結(jié)果表明氣凝膠和HGM都有比較好的抗振動(dòng)能力。

圖4 HGM與珠光砂的真空保持能力對(duì)比［10］

1.2 HGM性能變化對(duì)絕熱性能的影響

在真空狀態(tài)下粉末或者微球之間的熱傳導(dǎo)機(jī)制主要包括穿過空隙的表面輻射和接觸熱傳導(dǎo)。這兩者在很大程度上受到固相熱導(dǎo)率、顆粒表面發(fā)射率、顆粒粒徑、堆積狀態(tài)和顆粒力學(xué)性質(zhì)等的影響［13］。

1.2.1 密度對(duì)絕熱性能影響

密度是HGM很重要的一個(gè)性能參數(shù)，在很大程度上，密度影響HGM的顆粒力學(xué)性質(zhì)［14］。使用HGM做絕熱材料的柔性真空夾套傳輸管道在實(shí)際應(yīng)用過程中受到較大的壓力。為了確定HGM能否應(yīng)用到柔性管道中，Baumgartner等［7］使用2 m的管道對(duì)3M公司的三種HGM進(jìn)行了測(cè)試。這三種HGM的密度分別為0.1、0.25和0.46 g/cm3，對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度為1.7×103、5.1×103和9.7×103kPa，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 熱循環(huán)對(duì)不同HGM的影響［7］

由于過大的熱循環(huán)壓力使K1和K25破損，其內(nèi)部氣體釋放出來導(dǎo)致真空度不斷下降，而K46則由于具有較高的抗壓強(qiáng)度使得真空度幾乎保持不變。因此，在實(shí)際應(yīng)用過程中，應(yīng)特別考慮HGM在絕熱夾層中受到的壓力，以選擇合適的HGM。

1.2.2 粒徑對(duì)絕熱性能影響

粒徑也是HGM的一個(gè)重要應(yīng)用參數(shù)，HGM的粒徑分布主要影響顆粒的堆積狀態(tài)，進(jìn)而影響到HGM的絕熱性能。Wawryk等［15］對(duì)三種不同平均粒徑（95、130和270 μm）的HGM進(jìn)行了熱導(dǎo)率（77～300 K）的測(cè)試，結(jié)果如圖6所示。隨著粒徑的增大，固體導(dǎo)熱和熱輻射都有所增大，有效熱導(dǎo)率也增大，這與相關(guān)理論研究相符［16-17］。另外，這三種不同粒徑的HGM堆積系數(shù)也不同，分別是0.64、0.57和0.43，由此可知三種HGM的平均熱接觸點(diǎn)為8.8、7.1 和4.8，這也與所測(cè)熱導(dǎo)率結(jié)果相符。因此，HGM作為絕熱材料在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可以進(jìn)行相應(yīng)的分級(jí)或者級(jí)配以達(dá)到最佳堆積狀態(tài)，降低有效熱導(dǎo)率。

圖6 不同HGM熱導(dǎo)率隨溫度T的變化［15］1.dm=270 μm；2.dm=130 μm；3.dm=95 μm；4.dm=95 μm（N2）

1.2.3 壓力對(duì)HGM絕熱性能影響

HGM是一種輕質(zhì)高強(qiáng)材料，雖然與珠光砂及氣凝膠顆粒相比有較好的強(qiáng)度，在輕微壓力及振動(dòng)環(huán)境下能保持較好的結(jié)構(gòu)，但其低溫絕熱性能仍受到一定影響。

Cunnington等［18］研究了HGM在不同壓力下的熱導(dǎo)率變化。對(duì)HGM施加壓力為0、1.73×102、1×103、 9.4×103和1.05×105Pa，冷熱邊界分別為78 K和313 K，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。HGM的導(dǎo)熱系數(shù)從0壓力時(shí)的6×10-4W/m·K增加到1.05×105Pa時(shí)的9.9×10-3W/m·K。可見隨著壓力的增大，HGM顆粒之間的堆積更加密實(shí)，增加了固體之間的熱傳導(dǎo)。

美國(guó)TAI公司［10］把HGM制作成微球真空板以測(cè)試不同壓力對(duì)其低溫絕熱性能影響，測(cè)試的真空度從1.33×10-1～1.01×105Pa，測(cè)試壓力包括零壓力、中壓（62 kPa）和高壓（138 kPa），結(jié)果如圖8所示。微球絕熱板的熱導(dǎo)率隨著壓力的升高而增大，尤其是在高真空下，絕熱板在138 kPa下的熱導(dǎo)率（77～293 K）比無壓力時(shí)升高了60%，而在低真空下則差別不大。

圖7 HGM在不同壓力下的熱導(dǎo)率變化（78～313K）［18］

圖8 微球絕熱板在不同壓力下的熱導(dǎo)率變化［10］

1.3 鍍膜HGM低溫真空絕熱性能

為了進(jìn)一步削弱輻射換熱，提高絕熱效率，通常在真空絕熱粉末中添加金屬粉末以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)［19］。然而添加金屬粉末時(shí)由于金屬細(xì)粉的易燃易爆性，存在一定的安全問題。另外由于金屬粉末的密度較大，容易在使用過程中造成沉降，從而影響真空粉末絕熱的性能［20-21］。對(duì)于HGM來說，利用微觀表面工程技術(shù)對(duì)其進(jìn)行金屬鍍膜［22-23］，進(jìn)而得到高性能絕熱粉體材料，可以有效避免金屬粉體在真空絕熱空間分散不均、沉降的問題，進(jìn)而有效的降低輻射傳熱。

1.3.1 鍍鋁HGM低溫絕熱性能

實(shí)際應(yīng)用表明，在真空絕熱粉末中添加鋁粉可以提高絕熱效率［19］。Nayak等［24］對(duì)比了鍍鋁HGM和未鍍鋁HGM低溫絕熱性能，結(jié)果如圖9所示。從結(jié)果可以看出，在180 K以上，鍍鋁HGM熱導(dǎo)率小于未鍍鋁HGM，而溫度低于180 K時(shí)，鍍鋁HGM熱導(dǎo)率大于未鍍鋁HGM。這表明對(duì)于未鍍鋁HGM而言，輻射傳熱是主要的，尤其是在高溫下，熱導(dǎo)率與溫度有很大關(guān)系。而對(duì)于鍍鋁HGM，熱傳導(dǎo)比輻射的貢獻(xiàn)要大得多。在低溫下，HGM的熱導(dǎo)率比鍍鋁HGM小，此時(shí)主要以熱傳導(dǎo)的貢獻(xiàn)為主，溫度升高時(shí)，鍍鋁HGM的熱導(dǎo)率比HGM小，此時(shí)熱輻射的貢獻(xiàn)大于熱傳導(dǎo)。

圖9 HGM和鍍鋁HGM熱導(dǎo)率變化［24］B-12-AX：HGM；B-22-A：鍍鋁HGM

1.3.2 鍍銀HGM低溫絕熱性能

對(duì)HGM包覆活潑金屬通常采用蒸鍍的方式，成本較高且鍍覆效果不佳。而同樣具有高反輻射能力的銀、銅等不活潑金屬則可以方便的采用化學(xué)鍍的方法對(duì)HGM進(jìn)行包覆，過程簡(jiǎn)單且鍍層厚度形貌可控。Wawryk等［25］采用化學(xué)鍍的方法制備了鍍銀HGM并研究了其熱導(dǎo)率變化，如圖10所示。實(shí)驗(yàn)對(duì)比了HGM和不同濃度鍍銀HGM混合的熱導(dǎo)率隨溫度變化，銀鍍層確實(shí)減少了輻射傳熱，但同時(shí)銀鍍層會(huì)引起固體熱傳導(dǎo)的增加，這使得鍍銀HGM在液氮溫區(qū)及以下熱導(dǎo)率比HGM高。

圖10 HGM和鍍銀HGM的熱導(dǎo)率隨溫度變化［25］1.（○）K=0.986 2×10-6T+0.387 9×10-10T（未鍍銀）；2.（+）K=1.3584×10-6T+0.331 9×10-10T（7%鍍銀）；3.（●）K=1.4767×10-6T+0.295 4×10-10T3（32%鍍銀）

2 HGM絕熱系統(tǒng)的應(yīng)用

HGM經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試顯示出在低溫絕熱領(lǐng)域的巨大潛力，最終需將其應(yīng)用到低溫絕熱系統(tǒng)中，本節(jié)將綜述幾個(gè)國(guó)外HGM低溫絕熱系統(tǒng)的實(shí)例。

2.1 微球絕熱1 000 L球形儲(chǔ)罐

目前大型LH2儲(chǔ)罐通常都采用真空珠光砂雙層球形容器，但目前珠光砂存在吸濕性強(qiáng)、抗壓能力小及真空保持能力差等問題，使得現(xiàn)有儲(chǔ)罐需要經(jīng)常性的維護(hù)保養(yǎng)。為此，NASA資助了一系列新材料項(xiàng)目研究，包括HGM、氣凝膠微球等，以期取代珠光砂用于高效低溫絕熱系統(tǒng)［26］。

在進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)研究以后，肯尼迪航天中心（KSC）的低溫測(cè)試實(shí)驗(yàn)室將HGM應(yīng)用到1 000 L儲(chǔ)罐中，并與傳統(tǒng)材料珠光砂進(jìn)行性能比較。Sass等［27］按照KSC39號(hào)發(fā)射平臺(tái)中的3 200 000 L球形LH2儲(chǔ)罐以1∶15的比例設(shè)計(jì)了兩個(gè)完全相同的球形儲(chǔ)罐。其中一個(gè)儲(chǔ)罐填充HGM作為真空絕熱粉體，另一個(gè)填充珠光砂作為比較。在19個(gè)月的時(shí)間里進(jìn)行了94次試驗(yàn)，并收集了約9 000 h的穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)數(shù)據(jù)，如表1所列。試驗(yàn)結(jié)果表明，使用HGM作為絕熱材料的儲(chǔ)罐在儲(chǔ)存液氮（LN2）和液氫（LH2）時(shí)性能比珠光砂儲(chǔ)罐提升27%和34%，如圖11所示。

表1 HGM和珠光砂1 000 L儲(chǔ)罐儲(chǔ)存LN2和LH2的性能對(duì)比

圖11 HGM與珠光砂儲(chǔ)罐性能對(duì)比（1 000 L）［27］

2.2 微球絕熱22700 L（6000-gallon）立式工業(yè)儲(chǔ)罐

目前工業(yè)應(yīng)用的低溫儲(chǔ)罐一般采用真空多層（MLI）或者珠光砂作為絕熱材料。MLI的造價(jià)高且難以安裝，后期真空度的保持要求也比較高。珠光砂價(jià)格便宜，但在使用過程中的壓實(shí)和沉降使得后期維護(hù)成本非常高昂，并且壓實(shí)成塊的珠光砂需采用錘子等器械進(jìn)行去除，容易造成進(jìn)一步的熱泄漏。

根據(jù)研究結(jié)果，HGM可以在工業(yè)儲(chǔ)罐領(lǐng)域展現(xiàn)很好的應(yīng)用潛力，可以克服復(fù)雜的安裝過程和昂貴的維護(hù)費(fèi)用。為此，Baumgartner等［9］將HGM應(yīng)用于ACME低溫公司的22 700 L（6000-gallon）立式工業(yè)儲(chǔ)罐中。為了與傳統(tǒng)材料珠光砂進(jìn)行對(duì)比，設(shè)計(jì)了兩個(gè)完全一樣的儲(chǔ)罐，填充層分別添加HGM和珠光砂。兩個(gè)儲(chǔ)罐分別進(jìn)行液氮標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)率試驗(yàn)（Normal Evaporation Rates，NER），每天記錄三個(gè)點(diǎn)，結(jié)果如圖12所示。NER測(cè)試結(jié)果表明，HGM儲(chǔ)罐的漏熱率比珠光砂儲(chǔ)罐減少17%以上。由于罐體的漏熱一半都是由保溫層引起的，因此修正后HGM儲(chǔ)罐的漏熱率比珠光砂減少34%，這與實(shí)驗(yàn)室1 000 L儲(chǔ)罐的結(jié)果是一致的。

圖12 NER測(cè)試：HGM和珠光砂［9］

2.3 微球絕熱218 000 L（50000-gallon）低溫儲(chǔ)罐

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬和工業(yè)儲(chǔ)罐試驗(yàn)后，NASA開展了全尺寸的LH2-HGM低溫儲(chǔ)罐試驗(yàn)［28］。Sass等將NASA Stennis Space Center的218 000 L的球形儲(chǔ)罐進(jìn)行改造，將其中的絕熱粉體珠光砂替換為HGM。該儲(chǔ)罐外徑9.3 m，內(nèi)徑7.3 m，絕熱夾層的厚度約0.9 m，需填充200 m3的絕熱粉體。儲(chǔ)罐填充完HGM后進(jìn)行了NER試驗(yàn)。結(jié)果表明，使用HGM作為絕熱材料后，75%液位LH2的日蒸發(fā)率只有0.10% （216L/D），而同樣液位的LH2在傳統(tǒng)的珠光砂儲(chǔ)罐中日蒸發(fā)率為0.18%（386L/D）。HGM替換珠光砂作為真空絕熱材料可以減少44%的LH2蒸發(fā)。

3 總結(jié)與建議

HGM作為一種新型絕熱粉體材料，在真空低溫絕熱領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力。從目前研究進(jìn)展來看，國(guó)外已經(jīng)對(duì)HGM的低溫絕熱性能進(jìn)行了較好的研究，NASA針對(duì)其在低溫液體儲(chǔ)存方面的應(yīng)用而開展了一系列試驗(yàn)，并逐步走向?qū)嵱秒A段。而我國(guó)對(duì)于HGM的低溫絕熱性能研究幾乎還沒有開始。這主要是我國(guó)目前商品化的HGM還很少，僅有中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所的技術(shù)產(chǎn)業(yè)化了一批HGM產(chǎn)品，而針對(duì)低溫絕熱用的HGM還在實(shí)驗(yàn)階段。目前中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所在航天低溫推進(jìn)劑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持下也已經(jīng)開展了HGM用于低溫絕熱領(lǐng)域的相關(guān)工作。

針對(duì)HGM應(yīng)用于低溫絕熱系統(tǒng)，還需要開展一系列基礎(chǔ)試驗(yàn)：（1）超低密度HGM的研發(fā)，降低固體熱傳導(dǎo)；（2）HGM顆粒級(jí)配以最大限度減少熱輻射；（3）復(fù)合HGM開發(fā)，熱輻射散射一體化。

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PROGRESS IN THE CRYOGENIC INSULATION OF HOLLOW GLASS MICROSPHERES

YAN Kai-qi1，2，WANG Ping1，2，ZHANG Jing-jie1
（1.State Key Laboratory of Technologies in Space Cryogenic Propellants，Technical Institute of Physics and Chemistry，ChineseAcademy of Science，Beijing 100190，China；2.University of ChineseAcademy of Science，Beijing 100049，China）

As a high performance powder material，hollow glass microspheres have a very good application prospect in cryogenic insulation for its special hollow spherical structure.The research on cryogenic thermal performance comparison between hollow glass microspheres and aerogel beads，perlite powder，vacuum multi-layer insulation material and vacuum only was summarized in this paper.Research on cryogenic thermal performance of coated microspheres and the performance of the bubbles itself was also summarized in this paper.What's more，the application of microsphere insulation system on cryogenic tanks of 1 000 L，22 700 L and 218 000 L was briefly introduced.

Hollow Glass Microspheres；cryogenic insulation；cryogenic tank

TB383

A

1006-7086（2016）02-0063-07

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.02.001

2016-01-11

國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金（SKLTSCP1307）

嚴(yán)開祺（1987-），男，北京人，主要從事高性能粉體軟化學(xué)法制備與應(yīng)用。E-mail：yankaiqi@mail.ipc.ac.cn。