從物理學能量損耗角度探討應對碳中和的基礎技術

魏玉劍 范澤云

上海質量管理科學研究院

0 引言

《巴黎協定》簽署后已有一百多個國家承諾在21世紀中葉實現碳中和。各個國家也都組織學者研究碳中和的方法和路徑。目前學術界普遍認為碳中和主要路徑包括三個方面：一是從能源供給端看要盡快實現可再生能源替代化石能源，二是從能源需求端看要不斷提高能源的利用率，三是開發研究固碳技術，將人類活動產生的碳排放物捕獲、收集并封存到安全的碳庫中。碳中和的路徑看起來很簡單易懂，但要實現碳中和最根本的還是要靠技術進步，這已經成為科技界的共識。從公開發表的文章看，低碳技術分類多數從應用場景去描述，如可再生能源利用、低碳生產工藝、清潔電力替代等。實際上這些應用技術的創新必須依靠先進材料等基礎技術的突破。從物理學角度考慮，低碳基礎技術主要是能量轉換技術及減少能量損失的技術。能量轉換技術包括光熱、光電、熱電、化電、機電等相互轉換技術。減少能量損失的技術主要包括熱阻、電阻、磁阻及摩阻（四阻）極限技術，對應的有導熱和絕熱、超導和絕緣、高導磁和絕磁、無摩擦和強摩擦。本文主要從四阻角度探討低碳基礎技術研究方向，從不同的視角描述碳中和基礎技術創新重點。

1 熱阻極限相關技術

1.1 絕熱材料

絕熱材料可以分為多孔材料、熱反射材料和真空材料三類。一般而言，通常以導熱系數0.23 W/mK作為絕熱材料與非絕熱材料的分界線。新型絕熱材料主要包括納米孔絕熱材料和真空絕熱材料。納米孔絕熱材料導熱系數一般在0.003~0.015 W/mK之間，是傳統材料的4~10倍，同時納米孔絕熱材料具有極好的抗壓強度和較好的高溫穩定性，其最高使用溫度可達1 200℃。目前，常用的納米孔絕熱材料可分為氣凝膠和納米粉末基復合阻熱材料兩種，其中主要的氣凝膠材料有SiO2氣凝膠、Al2O3氣凝膠和ZrO2氣凝膠，且以SiO2氣凝膠應用最為廣泛。納米粉末基復合阻熱材料也多數以納米SiO2作為基體材料再進行加工與制備。真空絕熱材料大部分應用形式為真空絕熱板，它由填充芯材與真空保護表層復合而成，它有效地避免空氣對流引起的熱傳遞，因此導熱系數可大幅度降低，小于0.005 W/mK，是目前世界上最先進的高效保溫材料。目前比較前沿的是一批新型真空絕熱材料，如氣凝膠真空絕熱板。該種絕熱板屬于無機類保溫材料，導熱系數低于0.003 W/mK，其隔熱性能是傳統材料的1.2~20倍。

1.2 高導熱材料

一般而言，將導熱系數高于200 W/mK的材料統稱為高導熱材料。高導熱材料可以分為金屬基復合材料、炭基復合材料、樹脂基復合材料和陶瓷基復合材料，其中較為常見的材料有石墨材料（石墨烯、定向熱解石墨等）、樹脂材料等。石墨烯材料依靠特殊的聲子模式進行熱傳輸，具有非常好的導熱性能，純的無缺陷的單層石墨烯的導熱系數高達5 300 W/mK，遠高于傳統的導熱材料如銅（398 W/mK）等。石墨烯在導熱方面較為新穎的應用有石墨烯導熱塑料、石墨烯智能暖貼、電子產品用石墨烯導熱膜等，其中石墨烯導熱塑料廣泛應用于LED燈具散熱。導熱界面材料是一種普遍用于IC封裝和電子散熱的材料，主要分為導熱硅脂、導熱硅膠片和相變材料。導熱硅脂俗稱散熱膏，以有機硅酮為主要原料，添加耐熱、導熱性能優異的材料，制成的導熱型有機硅脂狀復合物，用于功率放大器、晶體管、電子管、CPU等電子元器件的導熱及散熱。導熱硅膠片是以硅膠為基材，添加金屬氧化物等各種輔材，通過特殊工藝合成的一種導熱介質材料，是一種極佳的導熱填充材料，其導熱系數與導熱硅脂相近，一般適用于電子元件的散熱。相變材料是指隨溫度變化而改變物質狀態并能提供潛熱的物質，其中導熱相變材料是一種熱量增強聚合物，其導熱系數一般為1~10 W/mK，在實際工況下由于其接觸面積較大，故有較好的導熱性能。熱管技術具有導熱強、等溫性好、環境適應性好等優點。熱管的導熱系數一般在3 000~10 000 W/mK，遠高于傳統的導熱材料，是傳統導熱材料的15~50倍。熱管散熱器主要有三個方面的應用，分別是采暖供熱、半導體制冷和電力電子元件散熱。

2 電阻極限相關技術

2.1 絕緣技術

絕緣技術主要應用于高電壓絕緣，一般絕緣體又稱為電介質，根據介質狀態可分為氣體介質、液體介質和固體介質，其絕緣材料可分為高導熱絕緣材料、耐熱絕緣材料、納米改性絕緣材料。高導熱絕緣材料研究重點為高導熱多膠粉云母帶和高導熱半導體填充膠。常用的耐熱絕緣材料有聚酰亞胺（PEEK）、聚四氟乙烯(PTFE)、改性聚甲醛(POM)等。納米改性絕緣材料，實質上是在絕緣材料中均勻分散一些納米無機物（如TiO2、ZnO等），以提高電機的耐電暈和使用壽命。

2.2 超導技術

超導材料按其化學成分可分為元素材料、合金材料、化合物材料和超導陶瓷，根據其工作溫度又可分為低溫超導材料和高溫超導材料，其中較為新型的應用主要有超導濾波器、超導限流器、超導儲能、超導傳輸。超導濾波器主要指的是高溫超導濾波器，可以解決基站干擾、降低衛星接收機噪聲、提高雷達探測距離與抗干擾能力。超導限流器利用超導體的超導態-正常態的轉變來實現限流功能，在發生短路故障時，能夠迅速將短路電流限制到可接受的水平，從而可以大大提高電網的穩定性，提高供電的可靠性和安全性。超導儲能是利用超導體的電阻為零特性制成的儲存電能的裝置，用于提高電力系統穩定性、改善供電品質。由于能解決風電、光伏并網問題，超導儲能被國家電網列為智能電網關鍵性技術。超導傳輸是指利用超導體制作超導電纜，從而實現低損耗輸電。

3 磁阻極限相關技術

3.1 超導磁體相關技術

超導磁體應用很廣，主要應用在科研、醫學和工業三大領域。在科研上超導磁體可用于高能加速器、探測器和核聚變實驗機組。在醫學上超導磁體可用于核磁共振成像（MRI），目前全世界醫院中的磁共振成像儀有80%以上是采用超導磁體，除此之外超導磁體還可用于紅血球的分離等醫學研究領域。在工業領域，超導磁體可用于超導電機，還可應用于磁分離裝置，用于貧礦富集、水體凈化、高嶺土提純等。

3.2 高磁電阻材料

高磁電阻材料（GRM）是指在外磁場的作用下電阻發生顯著變化(通常是指電阻降低)的一類功能性材料，當該類材料的電阻隨外磁場的變化十分巨大時，也被稱為超磁電阻材料。常見的GRM材料主要有多層膜、自旋閥、顆粒膜、磁性隧道結和氧化物超巨磁電阻薄膜等五大類。GRM材料主要應用于計算機硬盤和磁隨機存儲器，這兩個產業均已成熟。除此之外，GRM材料還被應用于磁阻記錄讀出磁頭、磁電阻傳感器、微弱磁場探測器。

4 摩阻極限相關技術

摩擦現象一直是人類面臨的最具挑戰性的問題之一。全世界約1/3至1/2的一次性能源由摩擦過程消耗。

4.1 超潤滑技術

超潤滑作為摩擦學的一個新領域，通常指兩個物體表面之間的滑動摩擦系數在0.001量級或者更小的潤滑狀態。目前，超滑的產生機制有四種：一是處于宏觀量子態的低溫超流問題；二是特定對偶面和特定滑移方面的超滑問題；三是高速剪切導致潤滑劑分子有序排列而出現的超動滑動問題；四是高分子膜造成的界面斥力場而出現的超滑問題。到目前為止，已經發現兩類潤滑材料具有超滑的特性：第一類是沉積在表面上的固體潤滑涂層，比如二硫化鉬(MoS2)、石墨、類金剛石薄膜(DLC)和碳氮膜(CNx)等，這里稱之為固體超滑；另一類是受限在兩個表面之間的液體潤滑劑，比如陶瓷水潤滑、水合離子潤滑、聚合物分子刷、甘油混合溶液和生物體黏液等，稱之為液體超滑。目前最有可能產業化的是封裝在石墨烯中的納米金剛石充當納米級滾珠軸承的固體超滑技術以及石墨烯基高分子納米合金抗磨自修復材料，可將接觸表面之間的摩擦減小到幾乎為零。

4.2 磁懸浮技術

磁懸浮技術主要應用于磁懸浮列車、磁懸浮軸承、磁懸浮離心式鼓風機、磁懸浮壓縮機以及磁懸浮潛水電泵等。其中，磁懸浮軸承作為磁懸浮技術應用的基礎，在磁懸浮的各項具體產品上都有應用。例如，磁懸浮鼓風機采用磁懸浮軸承，無接觸損失和機械損失，實現了高轉速無級變轉速調節，風機運行效率可高達84.5%，比傳統的羅茨風機可以節省25%以上的電能。磁懸浮壓縮機主要應用于中央空調，相比傳統壓縮機而言，其節能量高達30%以上。

4.3 摩擦材料

摩擦材料是一種通過粉末冶金方法制成的、具有高摩擦系數和高耐磨性能的金屬和非金屬復合材料，其主要用于制造各種制動和傳動機件的摩擦組元。摩擦組元一般用以提高材料的摩擦系數即增加滑動阻力。主要有氧化物(SiO2、Al2O3、Cr2O3)、碳化物(SiC、B4C)和礦物(石棉、莫來石等)。

4.4 耐磨材料

耐磨材料是一大類具有特殊電、磁、光、聲、熱、力、化學以及生物功能的新型材料。按照使用性能可以將其分為微電子材料、光電子材料、傳感器材料、信息材料、生物醫用材料等。按照材料類別可以將其分為金屬耐磨材料（磨球、襯板、軋輥、磨輥）、非金屬耐磨材料（耐磨橡膠、鑄石管、碳化硅陶瓷、抗磨損潤滑劑、極壓抗磨劑等）和復合耐磨材料（TiC、WC、Al2O3等陶瓷顆粒強化表面復合材料）。

5 結論

本文通過對熱、電、磁、力的四阻極值應用技術的探討，基于最小作用量的物理學原理實現能源高效利用和節能降碳，對于實現碳中和具有重要意義。在這些技術中，納米材料、超導材料、石墨烯材料、儲能材料、磁懸浮技術等可以在多場景中應用，市場潛力巨大，是促進科技進步、實現碳中和的關鍵基礎技術。