超级绝热导线、导管制造技术

本发明专利技术超级绝热导线、导管公开了一类采用超级绝热气凝胶颗粒对导线、导管实施超级绝热保护的通用性径向超级绝热封装技术及其具体实施方法；其所优选的超级绝热材料是颗粒直径范围为(0.1-100μm)的具有超高多孔度(90-99％)的、也即具有超低热导率的超级绝热二氧化硅气凝胶颗粒或三氧化二铝气凝胶颗粒；其它超级绝热气凝胶颗粒同样适用。使用气凝胶颗粒的径向超级绝热封装使得该导线、导管可以有效屏蔽其与周边环境的热交换而使其适于超正常温度环境下的应用、以及相关超高精度系统的在包括正常温度在内的任何温度环境下的应用。本发明专利技术所优选的超级绝热导线、导管的代表性产品实例是超级绝热电流导线和超级绝热光纤。

Super insulated wire and catheter

The invention discloses a super insulation wire and catheter used for a class of super adiabatic gel particle universal radial super insulation encapsulation technology of super insulation protection and its implementation method of wire and tube; super thermal insulation material which is preferably particle diameter range (0.1-100 m) with high porosity (90-99%) and that is a super insulation silica aerogel particles of ultra low thermal conductivity three or two aluminum oxide aerogel particles; other super adiabatic gel particles also apply. The radial super insulation package using the aerogel particles so that the wire and catheter can effectively shield the heat exchange with the surrounding environment and make it suitable for application, super normal temperature and high accuracy of the system in any environment including temperature, under normal temperature application. The representative examples of super insulated conductors and conduits of the present invention are super insulated current conductors and super adiabatic optical fibers.

【技术实现步骤摘要】
1.
本专利技术《超级绝热导线、导管》【*专利1】公开了一类对“导线”、“导管”实施“径向超级绝热”保护的通用性技术及其具体实施方法。其中(一)“导线”、“导管”指的是可以用来输运“特定物质或能量形态”的线型材料或管型材料，其可输运的“特定物质或能量形态”涉及：电荷(电子、空穴、离子、极化的颗粒或结构实体)、等离子体、基本粒子、颗粒集合体(全同颗粒)、粒子集合体(全同粒子)、热(声子)、光、机械波(声波)、电磁波、电场、磁场、电磁场、液体、气体、超流体(超流态液氦)、胶体、凝聚体(凝聚态物质)、有限体积的真空；(二)“超级绝热”指的是用一种“热导率低于同环境温度下空气热导率的结构材料”即“超级绝热材料”封闭性包裹“导线”或“导管”外周，从而几乎完全隔绝周边环境与该“导线”、“导管”沿其径向方向的热交换。2.
技术介绍
人类生产活动中所涉及的最广泛的一类活动形态是利用特定的“导线”、“导管”在关联系统间实施“特定物质或能量形态”的输运，这里所指的可被输运的“特定物质或能量形态”涉及：电荷(电子、空穴、离子、极化的颗粒或结构实体)、等离子体、基本粒子、颗粒集合体(全同颗粒)、粒子集合体(全同粒子)、热(声子)、光、机械波(声波)、电磁波、电场、磁场、电磁场、液态物质、气态物质、超流态物质、胶体、凝聚态物质、有限体积的真空。例如输运电流的电线、输送自来水的水管、传递光信号的光纤、传导电磁波的波导、传导电磁波的真空管道(管型真空区域)、传导热流的热管、热线等等。“导线”或“导管”在输运“特定的物质或能量形态”时，常常需要对其进行“径向绝热保护”(其中“径向”指的是垂直于导线或导管输运方向的方向)。第一种情况是当系统面临一般的“非正常低温或高温”时，或者面临极端的“超正常温度”时，例如水管的低温工作保护(防冻裂)、油气管道的高温防爆/低温防裂、电线的高温工作保护(防过热起火短路)、信号线的恒温工作维持。常规指标的绝热防护已经广为使用，例如通常只要在管线外周包裹相对低热导率材料的橡胶、工程塑料、无机物或聚合物或无机-聚合物纤维膜、或其它一些陶瓷材料都均能起到一定的径向绝热功效，但是当系统在“超正常温度”环境下工作时，例如(-50℃--200℃)，常规绝热材料将难以胜任。第二种情况是“正常温度”工作时的“超级绝热防护”或“超级绝热维持”问题，这通常属于信号的超高精度测量、保持、传输等应用需求情境。实际上，超高精度系统在包括正常温度在内的任何温度环境下的应用都需要“超级绝热防护”或“超级绝热维持”。输运管线所面临的“超级绝热防护”或“超级绝热维持”问题依其所输运“特定物质或能量形态”的不同而不同，绝热防护或维持有时是为了保护输运管线本身，有时是为了保护其内被输运的“特定物质或能量形态”。在此我们例举两个典型案例以明示对相关“导线、导管”进行“超级绝热”在相关应用中不可或缺的原因：其一，“超级绝热防护”——锂离子二次电池的超正常低温工作问题。民用二次电池工作温区的一般标准为(-10℃-+50℃)，视二次电池构成材料如电极、电解液、隔膜、封装材料的不同，这一工作温区有相应的变化，例如温区(-20℃-+50℃)；锂离子电池工作温区的军用标准要高一些，例如我国一个军用电池标准要求锂电池能工作的低温下限要达到-40℃【*文献1～3】，且其所对应的低温效能要能达到室温标称的40％；上个世纪90年代以后，美国开展了一些低温电池的主题研究，其重点集中于高性能低温电解液的研究【*文献4～14】【*专利2】。二次电池美国的一个军用指标要求作为“自由车”动力的锂离子电池的工作温区能胜任(-30℃-+52℃)、非失活存储温区达到(-46℃-+66℃)【*文献11～12】【*专利2】。研究表明，仅就电池主要构成模块(材料)而言，在低温环境下工作时，电池电极固态电解质界面层(SEI)阻抗增加、界面处电荷极化严重；低温下电解液的粘滞度加大而致离子的迁移率下降、隔膜孔道容易阻塞而致电池失效；电解液中添加防冻剂等措施会导致电池的比容量与放电倍率严重下降；总之，在“浅低温“如-10℃以下工作，电池性能就会实质性下降【*文献10】，而在“过低温”如-40℃以下，电池就几乎失活，例如，商用锂离子电池-40℃时的放电容量仅为20℃工作时的5％，而其放电功率密度下降为标称的1.25％【*文献7】；而在“甚低温“如-65℃以下，许多有机电解液将冻结【*文献6】。基于上述背景，为解决“二次电池的低温工作“问题，我们提出了一种基于“绝热悬挂”【*专利3】的“绝热悬挂电池”【*专利4】来实现二次电池在超正常低温下正常储运与工作的解决方案，进而通过基于“绝热悬浮”【*专利5】的“绝热悬浮电池”【*专利6】和配备“系统电路热量预警与补偿”组件(低温二次电池通连电路智能热补偿系统)【*专利7】的“智能二次电池”【*专利8】而进一步提升“绝热二次电池”的超正常低温工作性能及其非失活存储性能。不过应当指出的是，我们所专利技术的这些“超级绝热二次电池”在超正常低温下工作时仍然面临着共同的失效风险：(一)在有线导电的工作模式下(指电池需要“暴露于环境空间的外部连接导线”与用电器连通)，仅凭“绝热二次电池”的“超级绝热结构”本身并不能保证其在超正常低温下工作时不失效——这种失效甚至表现为一开机就失效，这主要是因为“绝热二次电池”所供电的用电器的内部电路往往因未加绝热防护而处于超正常低温状态，其一旦与“绝热二次电池”的电极连通，将可能瞬间冻结“绝热二次电池”的电解液而致电池失效；这一风险我们通过带有系统热反馈与补偿的“智能二次电池”【*专利7】来有效控制；(二)同样是有线导电的使用模式问题，即如果电池与用电系统之间的输电线绝热不良，则当电池在超正常低温下工作时，电池系统将会因为通过这条外部连接线的热散失过快而迅速失活。因此非常有必要对“暴露于环境空间的外部连接导线”进行更高级别的“绝热防护”以克服这一失效风险；这是我们开发本专利技术技术的主要动机之一。值得指出的是，任何有可能被大规模使用的器物及其附件的研发都具有重大商业价值，而“超级绝热电池”具有潜在的巨大应用前景，所以为其配套的“超级绝热导线”具有同等价值。当然，“超级绝热导线”可以是其它多种电器的必备附件。其二，“超级绝热维持”——信号线的恒温工作维持问题。大多数物理量的测量是通过传感器采集相关“力/热/电/光”信号来完成的。测量过程中影响测量精度的因素有很多，其中以“传感器响应信号的激发精度”、“传感器对响应信号的采集分辨率”和“所采集信号在系统内部信号线中的传输一致性(保真传输)”为决定性要素。这三个测量要素所涉及的参量都是与温度相关的，例如金属导线或信号线的电阻率是随温度变化而变化的，另一方面，材料的热致应变会影响载流子的迁移率，也就是说，测量系统本身的温度变化是影响测量精度的。所以有效控制测量系统内部模块与互连线的温度变化对高精度测量至关重要。例如，在“绝热传感器：基于绝热悬挂的测温芯片”中【*专利9】，我们利用超级绝热结构而极大地提高了温度测量的精度。在“绝热传感器(基于绝热悬挂的测温芯片本文档来自技高网...

【技术保护点】
本专利技术《超级绝热导线、导管》公开了一类采用“超级绝热材料”对“导线”、“导管”实施“超级绝热”保护的通用性“径向超级绝热封装”技术及其具体实施方法；“径向超级绝热封装”使得该“导线”、“导管”具备一定的“超级绝热”性能而可以有效屏蔽“导线”、“导管”与周边环境的热交换而使得该“超级绝热导线、导管”适用于“超正常温度”环境下的应用、以及相关超高精度系统的在包括正常温度在内的任何温度环境下的应用。

【技术特征摘要】
1.本发明《超级绝热导线、导管》公开了一类采用“超级绝热材料”对“导线”、
“导管”实施“超级绝热”保护的通用性“径向超级绝热封装”技术及其具体
实施方法；“径向超级绝热封装”使得该“导线”、“导管”具备一定的“超级绝
热”性能而可以有效屏蔽“导线”、“导管”与周边环境的热交换而使得该“超
级绝热导线、导管”适用于“超正常温度”环境下的应用、以及相关超高精度
系统的在包括正常温度在内的任何温度环境下的应用。
2.“导线”、“导管”指的是可以用来输运“特定物质或能量形态”的线型材料或
管型材料，其可输运的“特定物质或能量形态”涉及：电荷(电子、空穴、离
子、极化的颗粒或结构实体)、等离子体、基本粒子、颗粒集合体(全同粒子)、
热(声子)、光、机械波(声波)、电磁波、电场、磁场、电磁场、液体、气体、
超流体(超流态液氦)、胶体、凝聚体(凝聚态物质)、有限体积的真空。
3.“超级绝热导线、导管”所指称的“超级绝热”的主要物理指标之一是在1标
准大气压下环境温度27℃时所用绝热材料的热导率低于同环境条件下的空气
的热导率；进一步更加要求在其所工作的温区内，其热导率均低于同环境温度
下空气的热导率。
4.“超级绝热导线、导管”所指称的“超正常温度”有如下基于实用层面的约定：
其一，以人居地表环境的常规温度为参照，我们约定-50℃以下的环境温度为
超正常低温，大于+50℃以上的环境温度为超正常高温；其二，以大气层外空
间及宇宙深空的环境温度为参照，我们定义-200℃至-270℃以下的环境温
度为超正常低温；其三，约定金属铝熔点+660.37℃至金属铁熔点+1538℃为
人居地表环境的超正常高温。
5.本发明技术路线所优选的赖以实现“径向超级绝热封装”的“超级绝热材料”
特指在应用环境下呈固态的、几乎所有种类的具有超高多孔度的且具有超低热
导率的“多孔结构材料”。具体来说，构成多孔结构材料的材质可以是(一)固
态无机物的单质、合金、化合物、混合物；(二)固态有机物的聚合物(合成纤
维或多孔工程塑料等)、混合物、复合物(无机物与有机物的复合)；(三)上述
这些材料的混合／化合／复合物；(四)以及所有上述材料所对应的人工微结构
材料；当多孔结构材料的多孔度大到一定阈值后(通常大致为75％及以上)我
们往往称这样高多孔度的多孔结构材料为“气凝胶”。
6.“超级绝热导线、导管”所用“超级绝热气凝胶”的代表性实例是“颗粒直径
范围约(0.1μm-100μm)的／具有超高多孔度(90％-99％)的／也即具有超
低热导率的／超级绝热二氧化硅(Si02)气凝胶颗粒”或三氧化二铝(Al203)
气凝胶颗粒”；非化学计量比的氧化硅(SixOy)和氧化铝(AlxOy)的超级绝热
气凝胶颗粒同样适用。“超级绝热导线、导管”所优选的一类“多孔二氧化硅
(Si02)气凝胶颗粒”的热导率可以低至0.012-0.019W／m·K，其对应的结构
材料密度为0.170-0.228g／cm3，对应的多孔度为(92.3％-89.6％)；多孔度89.6％
的二氧化硅气凝胶颗粒的热导率已经低于环境温度300K(27℃)时空气的热导
率0.026W／m·K；而多孔度为92.3％的二氧化硅气凝胶颗粒的热导率为0.012
W／m·K，该数值甚至低于温度为-100℃空气的热导率0.0158W／m·K。
7.“超级绝热导线、导管”所可以使用的其它可用以实现“超级绝热”的“超级

\t绝热气凝胶”包括所有金属氧化物气凝胶、半导体氧化物气凝胶、合金氧化物
气凝胶、无机盐气凝胶、金属氢氧化物气凝胶、聚合物气凝胶、聚合物-无机物
复合气凝胶、以及上述材料的混合／化合／复合结构气凝胶：
(甲)“超级绝热氧化物气凝胶”可以用作“超级绝热导线、导管”所用的
“超级绝热材料”，其典型实例包括：(一)相对安全的材质：Cr2O3气凝胶、
Fe3O4气凝胶、Rh2O3气凝胶、IrO2气凝胶、WO3气凝胶、MgO气凝胶、Li2O
气凝胶、Ga2O3气凝胶、In2O3气凝胶；(二)贵重金属材质：PdO气凝胶、PtO
气凝胶、Au2O3气凝胶、Ag2O气凝胶；(三)危险材质(毒、腐蚀、刺激性、
或存在室温条件下的危险反应)：Co2O3气凝胶、CoO气凝胶、BeO气凝胶、
V2O5气凝胶、NiO气凝胶、Ni...

【专利技术属性】
技术研发人员：濮琳，施毅，张荣，郑有炓，
申请(专利权)人：苏州源正热伏有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32