从物理学能量损耗角度探讨应对碳中和的基础技术

魏玉剑 范泽云

上海质量管理科学研究院

0 引言

《巴黎协定》签署后已有一百多个国家承诺在21世纪中叶实现碳中和。各个国家也都组织学者研究碳中和的方法和路径。目前学术界普遍认为碳中和主要路径包括三个方面：一是从能源供给端看要尽快实现可再生能源替代化石能源，二是从能源需求端看要不断提高能源的利用率，三是开发研究固碳技术，将人类活动产生的碳排放物捕获、收集并封存到安全的碳库中。碳中和的路径看起来很简单易懂，但要实现碳中和最根本的还是要靠技术进步，这已经成为科技界的共识。从公开发表的文章看，低碳技术分类多数从应用场景去描述，如可再生能源利用、低碳生产工艺、清洁电力替代等。实际上这些应用技术的创新必须依靠先进材料等基础技术的突破。从物理学角度考虑，低碳基础技术主要是能量转换技术及减少能量损失的技术。能量转换技术包括光热、光电、热电、化电、机电等相互转换技术。减少能量损失的技术主要包括热阻、电阻、磁阻及摩阻（四阻）极限技术，对应的有导热和绝热、超导和绝缘、高导磁和绝磁、无摩擦和强摩擦。本文主要从四阻角度探讨低碳基础技术研究方向，从不同的视角描述碳中和基础技术创新重点。

1 热阻极限相关技术

1.1 绝热材料

绝热材料可以分为多孔材料、热反射材料和真空材料三类。一般而言，通常以导热系数0.23 W/mK作为绝热材料与非绝热材料的分界线。新型绝热材料主要包括纳米孔绝热材料和真空绝热材料。纳米孔绝热材料导热系数一般在0.003~0.015 W/mK之间，是传统材料的4~10倍，同时纳米孔绝热材料具有极好的抗压强度和较好的高温稳定性，其最高使用温度可达1 200℃。目前，常用的纳米孔绝热材料可分为气凝胶和纳米粉末基复合阻热材料两种，其中主要的气凝胶材料有SiO2气凝胶、Al2O3气凝胶和ZrO2气凝胶，且以SiO2气凝胶应用最为广泛。纳米粉末基复合阻热材料也多数以纳米SiO2作为基体材料再进行加工与制备。真空绝热材料大部分应用形式为真空绝热板，它由填充芯材与真空保护表层复合而成，它有效地避免空气对流引起的热传递，因此导热系数可大幅度降低，小于0.005 W/mK，是目前世界上最先进的高效保温材料。目前比较前沿的是一批新型真空绝热材料，如气凝胶真空绝热板。该种绝热板属于无机类保温材料，导热系数低于0.003 W/mK，其隔热性能是传统材料的1.2~20倍。

1.2 高导热材料

一般而言，将导热系数高于200 W/mK的材料统称为高导热材料。高导热材料可以分为金属基复合材料、炭基复合材料、树脂基复合材料和陶瓷基复合材料，其中较为常见的材料有石墨材料（石墨烯、定向热解石墨等）、树脂材料等。石墨烯材料依靠特殊的声子模式进行热传输，具有非常好的导热性能，纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5 300 W/mK，远高于传统的导热材料如铜（398 W/mK）等。石墨烯在导热方面较为新颖的应用有石墨烯导热塑料、石墨烯智能暖贴、电子产品用石墨烯导热膜等，其中石墨烯导热塑料广泛应用于LED灯具散热。导热界面材料是一种普遍用于IC封装和电子散热的材料，主要分为导热硅脂、导热硅胶片和相变材料。导热硅脂俗称散热膏，以有机硅酮为主要原料，添加耐热、导热性能优异的材料，制成的导热型有机硅脂状复合物，用于功率放大器、晶体管、电子管、CPU等电子元器件的导热及散热。导热硅胶片是以硅胶为基材，添加金属氧化物等各种辅材，通过特殊工艺合成的一种导热介质材料，是一种极佳的导热填充材料，其导热系数与导热硅脂相近，一般适用于电子元件的散热。相变材料是指随温度变化而改变物质状态并能提供潜热的物质，其中导热相变材料是一种热量增强聚合物，其导热系数一般为1~10 W/mK，在实际工况下由于其接触面积较大，故有较好的导热性能。热管技术具有导热强、等温性好、环境适应性好等优点。热管的导热系数一般在3 000~10 000 W/mK，远高于传统的导热材料，是传统导热材料的15~50倍。热管散热器主要有三个方面的应用，分别是采暖供热、半导体制冷和电力电子元件散热。

2 电阻极限相关技术

2.1 绝缘技术

绝缘技术主要应用于高电压绝缘，一般绝缘体又称为电介质，根据介质状态可分为气体介质、液体介质和固体介质，其绝缘材料可分为高导热绝缘材料、耐热绝缘材料、纳米改性绝缘材料。高导热绝缘材料研究重点为高导热多胶粉云母带和高导热半导体填充胶。常用的耐热绝缘材料有聚酰亚胺（PEEK）、聚四氟乙烯(PTFE)、改性聚甲醛(POM)等。纳米改性绝缘材料，实质上是在绝缘材料中均匀分散一些纳米无机物（如TiO2、ZnO等），以提高电机的耐电晕和使用寿命。

2.2 超导技术

超导材料按其化学成分可分为元素材料、合金材料、化合物材料和超导陶瓷，根据其工作温度又可分为低温超导材料和高温超导材料，其中较为新型的应用主要有超导滤波器、超导限流器、超导储能、超导传输。超导滤波器主要指的是高温超导滤波器，可以解决基站干扰、降低卫星接收机噪声、提高雷达探测距离与抗干扰能力。超导限流器利用超导体的超导态-正常态的转变来实现限流功能，在发生短路故障时，能够迅速将短路电流限制到可接受的水平，从而可以大大提高电网的稳定性，提高供电的可靠性和安全性。超导储能是利用超导体的电阻为零特性制成的储存电能的装置，用于提高电力系统稳定性、改善供电品质。由于能解决风电、光伏并网问题，超导储能被国家电网列为智能电网关键性技术。超导传输是指利用超导体制作超导电缆，从而实现低损耗输电。

3 磁阻极限相关技术

3.1 超导磁体相关技术

超导磁体应用很广，主要应用在科研、医学和工业三大领域。在科研上超导磁体可用于高能加速器、探测器和核聚变实验机组。在医学上超导磁体可用于核磁共振成像（MRI），目前全世界医院中的磁共振成像仪有80%以上是采用超导磁体，除此之外超导磁体还可用于红血球的分离等医学研究领域。在工业领域，超导磁体可用于超导电机，还可应用于磁分离装置，用于贫矿富集、水体净化、高岭土提纯等。

3.2 高磁电阻材料

高磁电阻材料（GRM）是指在外磁场的作用下电阻发生显著变化(通常是指电阻降低)的一类功能性材料，当该类材料的电阻随外磁场的变化十分巨大时，也被称为超磁电阻材料。常见的GRM材料主要有多层膜、自旋阀、颗粒膜、磁性隧道结和氧化物超巨磁电阻薄膜等五大类。GRM材料主要应用于计算机硬盘和磁随机存储器，这两个产业均已成熟。除此之外，GRM材料还被应用于磁阻记录读出磁头、磁电阻传感器、微弱磁场探测器。

4 摩阻极限相关技术

摩擦现象一直是人类面临的最具挑战性的问题之一。全世界约1/3至1/2的一次性能源由摩擦过程消耗。

4.1 超润滑技术

超润滑作为摩擦学的一个新领域，通常指两个物体表面之间的滑动摩擦系数在0.001量级或者更小的润滑状态。目前，超滑的产生机制有四种：一是处于宏观量子态的低温超流问题；二是特定对偶面和特定滑移方面的超滑问题；三是高速剪切导致润滑剂分子有序排列而出现的超动滑动问题；四是高分子膜造成的界面斥力场而出现的超滑问题。到目前为止，已经发现两类润滑材料具有超滑的特性：第一类是沉积在表面上的固体润滑涂层，比如二硫化钼(MoS2)、石墨、类金刚石薄膜(DLC)和碳氮膜(CNx)等，这里称之为固体超滑；另一类是受限在两个表面之间的液体润滑剂，比如陶瓷水润滑、水合离子润滑、聚合物分子刷、甘油混合溶液和生物体黏液等，称之为液体超滑。目前最有可能产业化的是封装在石墨烯中的纳米金刚石充当纳米级滚珠轴承的固体超滑技术以及石墨烯基高分子纳米合金抗磨自修复材料，可将接触表面之间的摩擦减小到几乎为零。

4.2 磁悬浮技术

磁悬浮技术主要应用于磁悬浮列车、磁悬浮轴承、磁悬浮离心式鼓风机、磁悬浮压缩机以及磁悬浮潜水电泵等。其中，磁悬浮轴承作为磁悬浮技术应用的基础，在磁悬浮的各项具体产品上都有应用。例如，磁悬浮鼓风机采用磁悬浮轴承，无接触损失和机械损失，实现了高转速无级变转速调节，风机运行效率可高达84.5%，比传统的罗茨风机可以节省25%以上的电能。磁悬浮压缩机主要应用于中央空调，相比传统压缩机而言，其节能量高达30%以上。

4.3 摩擦材料

摩擦材料是一种通过粉末冶金方法制成的、具有高摩擦系数和高耐磨性能的金属和非金属复合材料，其主要用于制造各种制动和传动机件的摩擦组元。摩擦组元一般用以提高材料的摩擦系数即增加滑动阻力。主要有氧化物(SiO2、Al2O3、Cr2O3)、碳化物(SiC、B4C)和矿物(石棉、莫来石等)。

4.4 耐磨材料

耐磨材料是一大类具有特殊电、磁、光、声、热、力、化学以及生物功能的新型材料。按照使用性能可以将其分为微电子材料、光电子材料、传感器材料、信息材料、生物医用材料等。按照材料类别可以将其分为金属耐磨材料（磨球、衬板、轧辊、磨辊）、非金属耐磨材料（耐磨橡胶、铸石管、碳化硅陶瓷、抗磨损润滑剂、极压抗磨剂等）和复合耐磨材料（TiC、WC、Al2O3等陶瓷颗粒强化表面复合材料）。

5 结论

本文通过对热、电、磁、力的四阻极值应用技术的探讨，基于最小作用量的物理学原理实现能源高效利用和节能降碳，对于实现碳中和具有重要意义。在这些技术中，纳米材料、超导材料、石墨烯材料、储能材料、磁悬浮技术等可以在多场景中应用，市场潜力巨大，是促进科技进步、实现碳中和的关键基础技术。