1200度烤紅后，還能直接用手拿！這是什么神器？

接熱水的時(shí)候，大家有沒(méi)有思考過(guò)這個(gè)問(wèn)題：為什么用玻璃杯接熱水這么燙手，保溫杯卻能既不燙手又保溫呢？

不僅如此，還有一種神奇的材料——隔熱瓦，它被加熱到1200度后，還能直接用手拿。這些物品為什么會(huì)有這么大的差異呢？

圖源：某視頻網(wǎng)站

01、為什么玻璃杯燙手，保溫杯不燙手？

玻璃杯燙手，是因?yàn)?strong>玻璃是熱的良導(dǎo)體。玻璃的微觀結(jié)構(gòu)比較緊密，內(nèi)部的硅氧四面體等結(jié)構(gòu)單元雖然沒(méi)有像晶體那樣規(guī)則排列，但也能形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，熱量可以沿著這個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)快速傳播。所以當(dāng)高溫的熱水與杯子接觸時(shí)，熱量會(huì)迅速通過(guò)杯壁傳導(dǎo)，我們碰到杯子時(shí)就會(huì)覺(jué)得很燙。

圖源：攝圖網(wǎng)

保溫杯既不燙手又能保溫，主要得益于它獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇。

保溫杯主要由內(nèi)膽、外殼和中間的真空層組成。中間的真空絕熱層是保溫杯保溫和不燙手的關(guān)鍵所在。真空是一種不存在任何物質(zhì)粒子（分子、原子等）的空間狀態(tài)，由于沒(méi)有物質(zhì)粒子，熱量無(wú)法通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式在真空層中傳遞。

熱輻射是熱量傳遞的另一種方式，它不需要介質(zhì)，可以通過(guò)電磁波的形式傳播。保溫杯的內(nèi)膽通常采用不銹鋼等金屬材料，外殼一般也是金屬材質(zhì)，內(nèi)膽和外殼表面會(huì)有一些鍍膜或涂層。這種特殊的材料表面處理可以進(jìn)一步減少熱輻射的傳遞，所以我們觸摸保溫杯的外殼時(shí)不會(huì)感覺(jué)很燙[1]。

圖源：參考文獻(xiàn)[1]

02、“隔熱瓦”為什么1200度烤紅后，還能直接用手拿？

隔熱瓦是由陶瓷、纖維等耐高溫材料制成的板材，用于阻隔熱量傳遞，通常采用一些特殊的陶瓷材料或者復(fù)合材料。例如，陶瓷基復(fù)合材料，以陶瓷為基體，然后在其中加入一些增強(qiáng)相，這些增強(qiáng)相可以是纖維，如碳纖維等。陶瓷本身就具有一定的耐高溫和隔熱的性能，加入碳纖維之后，材料性能可以得到進(jìn)一步提升。碳纖維具有高強(qiáng)度、低密度和良好的導(dǎo)熱性能，當(dāng)它與陶瓷結(jié)合時(shí)，可以在一定程度上阻止熱量在陶瓷中的傳導(dǎo)[2]。

圖源：騰訊網(wǎng)

從熱傳導(dǎo)方面來(lái)看，隔熱瓦中的陶瓷基體和增強(qiáng)相之間存在界面。這個(gè)界面可以散射熱量傳播的聲子（熱量在固體中傳播的一種量子化形式），使得熱量在材料內(nèi)部傳導(dǎo)時(shí)會(huì)被不斷散射，從而降低材料的熱導(dǎo)率。同時(shí)，由于材料的微觀結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，熱量在其中的傳播路徑會(huì)變得曲折，不像在普通材料中那樣直接，也會(huì)降低熱量的傳遞效率。

圖源：參考文獻(xiàn)[3]

從熱輻射方面來(lái)說(shuō)，隔熱瓦的表面可能經(jīng)過(guò)特殊處理，例如涂上一些低輻射率的涂層。這種涂層可以反射大部分的熱輻射，減少隔熱瓦自身吸收的熱量。不僅如此，隔熱瓦內(nèi)部的材料結(jié)構(gòu)對(duì)熱輻射也有一定的吸收和散射作用，進(jìn)一步降低熱輻射傳遞的熱量[3-4]。

圖源：某視頻網(wǎng)站

03、“隔熱瓦”有哪些應(yīng)用？

隔熱瓦以其神奇的隔熱性能，在眾多領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。比如在航天領(lǐng)域，當(dāng)航天飛行器返回地球大氣層時(shí)，由于高速摩擦，飛行器表面會(huì)產(chǎn)生極高的溫度（可達(dá)1650℃甚至更高），飛行器表面的隔熱瓦可以將外界的高溫與飛行器內(nèi)部隔離開(kāi)來(lái)，確保內(nèi)部溫度保持在合適的范圍內(nèi)，保護(hù)飛行器內(nèi)部的儀器設(shè)備和航天員的安全。

圖源：NASA

在一些高溫工業(yè)設(shè)備中，如冶金爐、玻璃熔爐等，隔熱瓦可以用于爐壁的隔熱。通過(guò)在爐壁上安裝隔熱瓦，可以減少熱量的散失，降低燃料的消耗，提高能源的利用效率。同時(shí)，隔熱瓦還可以減少高溫輻射對(duì)工人和周圍設(shè)備的影響，改善工作環(huán)境。

圖源：中信重工

在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等高溫部件周圍，隔熱瓦也有一定的應(yīng)用。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，如果這些熱量不能得到有效的控制，會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和壽命。隔熱瓦可以將發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量與汽車的其他部件隔離開(kāi)來(lái)，既有助于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，也可以防止熱量傳遞到汽車的駕駛艙，提高駕駛的舒適性。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，隔熱瓦的性能還將不斷提高，它的應(yīng)用領(lǐng)域也將不斷擴(kuò)大。

參考文獻(xiàn)

[1]宋世奇. 一種保溫杯及其制作方法:CN201010545440.7[P]. 2011-06-22.

[2]王康太,馮堅(jiān),姜勇剛,等. 陶瓷纖維剛性隔熱瓦研究進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào),2011,25(23):35-39.

[3] 蘭志丹,任偉敏,安楠,等. 陶瓷纖維隔熱瓦及其高發(fā)射涂層的研究進(jìn)展[J]. 硅酸鹽通報(bào),2023,42(12):4465-4474.

[4] 李奕臻,朱時(shí)珍,王輝,等. 碳基陶瓷隔熱瓦表面高發(fā)射耐燒蝕抗氧化涂層的制備及性能[J]. 稀有金屬材料與工程,2020,49(2):533-539.

作者：許燕，復(fù)旦大學(xué)材料學(xué)在讀博士

策劃&編輯：小叮當(dāng)

鳴謝：蘇州科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 教授 馬汝廣 為本文提供科學(xué)指導(dǎo)

上海市科委科普項(xiàng)目資助（項(xiàng)目編號(hào)：24DZ2304000）