绝热悬挂的制作方法

绝热悬挂的制作方法
【专利摘要】本发明绝热悬挂公开了一种基于结构绝热原理的超级绝热技术，它通过对绝热材料、热学结构、力学结构、应用功能的协同设计以实现具有充分机械强度的超级绝热结构；其特征要素包括超级绝热材料(二氧化硅气凝胶或三氧化二铝气凝胶等)、绝热悬挂线(芳纶或最纶纤维、二氧化硅悬梁、金属弹簧等)、绝热悬挂结构(正四棱锥悬挂、立方悬挂等)、刚性悬挂支架(表面氧化铝覆层的铝合金壳体)、热短路结构(高导热石墨颗粒涂层或铜箔、银箔所构成的均热薄膜)。绝热悬挂可以作为热能工程技术与封装技术的基础性范式而被用来设计具备超级绝热性能而胜任超正常低温或高温下工作的各类新概念产品。例如绝热悬挂电池、绝热悬浮电池、绝热温度传感芯片等。
【专利说明】绝热悬挂
1.【技术领域】
[0001]本发明《绝热悬挂》【*专利I】公开了ー种位于实体空间里不同系统间的基于实体连接的“热联通与关联”技术，其特征是通过使用“绝热材料及其实体结构”来构成空间里不同系统之间的ー种“热绝缘边界”，又称“绝热边界”。这是ー种基于“结构绝热”原理的“超级绝热”技术，它通过对绝热材料、热学结构、力学结构、应用功能的协同设计以构建具有充分机械强度的“超级绝热结构”。本发明公开了“绝热悬挂”的三种典型的实体形态及其实施方案:其一，ー种用以在实体空间里悬挂固定宏观尺度目标物的“绝热材料‘线’、‘绳’ ‘弹簧’、‘悬梁’等”及其“典型悬挂”，所谓“绝热悬桂”;例如“绝热悬挂电池”【*专利2】里的绝热悬挂；其二，用干“绝热悬浮”结构【*专利3】的“绝热悬桂”，此类绝热悬挂所用的材料可以是非绝热的，例如“绝热悬浮电池”【*专利4】里的绝热悬挂；其三，基于微电子标准エ艺或纳电子エ艺的电子芯片里绝热悬挂，例如“绝热传感器”里的绝热悬挂【*专利5】。便携式“绝热电池”适于在超正常低温环境下储运、携帯与工作；基站式“绝热电池”适于在超正常低温或高温环境下储藏、静置与工作；在线式“绝热传感器”不仅限于低温环境，还可エ作于高温环境。
[0002]“绝热悬挂”可以有助于在温度不同的系统之间实现“热输运的尽可能最大限度地阻滞”，从而尽可能最大限度地延长“所关注系统”与“环境系统”之间达到热平衡的时间，从而实现一定指标的“隔热”甚至“绝热”;进一歩，这种“绝热悬挂” g在实现对“目标物本身及其工作状态”的一种适于应对“周边环境或系统”的“超正常低温或高温”的有效的“绝热維持与保护”;该“绝热维持与保护”的有效性内涵是指通过应用“绝热悬挂”而使得目标物可以安全地在“预设的、需要的或所能接受的时限”内持续并正常地工作于具有“超正常温度”的周边环境或系统中(* “超正常温度”是相比于人居地表环境的常规温度而言的，我们定义_50°C以下的环境温度为超正常低温；大于+50°C以上的环境温度为超正常高温)。
[0003]“绝热悬挂”首先是ー种可用干“绝热封装/包装”的集成解决方案，其科学内涵属于材料与结构系统的力学、热学与热能工程学范畴；而从制造与应用角度考量，“绝热悬挂”可归于“先进封装/包装”【技术领域】。值得指出的是，绝热悬挂所具有的通用性绝热结构及其所具备的超级绝热功效已经使其超越基本封装技术范畴而成就ー种具有重大应用价值的新概念技术。
2.【背景技术】
[0004]皮肤、毛皮、动物或植物组织与器官的表皮、衣服、手套、遮阳帽、皮鞋、棉被、橡胶或塑料膜、保温瓶瓶胆、消防服、防寒服、防冻油脂、油气储罐陶瓷覆层、高速飞行器外表面的热障覆层等都是可以实现阻碍热传导功效的ー类“绝热边界”。典型的“绝热边界”都是ー类“低”热导率的材料或结构，以它们来构成实体的一种外层边界而可以有效地阻碍该实体与具有不同温度的“能量系统”之间的热传递而在一定的时限内成其特征功效，如保温、防寒、防过冷、防晒、防火、防过热等。这里所指的“能量系统”可以是人、物、或实体空间(也可称为环境空间，区别于数学概念上的空间)。一般而言，所有有限质量与能量的人、物、系统都处于相对无限质量与能量的实体空间里。
[0005]过去近百年，天然石棉作为最主要的ー类“绝热边界”材料而被广泛地用，但是已经确认吸入石棉纤维会造成人体肺部的严重病变。天然石棉是ー种结构材料，其基体是由大量的二氧化硅、硅酸盐纤维颗粒构成；石棉纤维本身并无害处，但其被人吸入后将造成肺部损伤与肿瘤；而石棉纤维中存在大量亚微米和纳米尺度的短纤维，这些短纤维可以在空气里长时间漂浮，所以石棉矿开采、原料与产品加工、运输、使用中都会造成周边环境空气严重的大气颗粒物污染，所以逐步废止石棉的使用已经成为各国共识。
[0006]在这ー背景下，寻找石棉替代物的应用技术研发成为热能工程技术创新的主流方向。“低”热导率之“低”是相对而言的，而且也是以人居地表环境里人的感知为一般參照的，所以并无绝对的意义。热导率低到一定指标的材料可以称为绝热材料；热导率低到一定指标的结构可以称为绝热结构；热导率低到一定指标的结构材料可以称为绝热结构材料；热导率低到一定指标的材料结构可以称为绝热材料结构。结构材料通常指具有微观空间结构或构型的微结构材料。研究表明，就本征材料的性质而言，有机物的热导率要比无机物和元素单质材料的热导率要低；进一歩，如果ー种物质实体具有一定的微结构，那么这类物质实体的统计学意义上的表观热导率相比于构成实体材料的本征热导率而言要更低ー些，例如天然的或人工设计与制造的微结构材料，这种低热导率的材料织构通常以微米、亚微米甚至纳米尺度的纤维、颗粒、薄膜状物质材料基体在空间里的无规聚集、堆砌以构成诸如多孔与无规枝连网络构型为特征。可以说，这些多层次尺度无规分布的多孔、枝连网络或分形结构就是ー类绝热结构；而具有这类微结构的材料可以归于所定义的绝热结构材料。
[0007]以地表环境里的实物为例，可以把天然的、纯的、非微结构的、热导率相对较低的物质材料称为本征绝热材料，如天然有机物的橡胶、凝固树脂或琥珀、蚕丝等；而天然的绝热结构材料通常以有机物与无机物共存的复合结构材料为特征，如人与动物皮肤、毛发、羽毛、角质层、毛皮、骨骼，干燥的植物组织(表皮、纤维、叶、枝干、种子及其外壳材料、根须等、或这些物质在风化后的粉末)、棉花等。相较于天然的有机物，纯的单质元素材料与无机化合物材料的热导率一般都不低；但结构化的无机物物质实体的表观(统计学)热导率将降低，如多孔岩石(干燥固 化或天然烧结的多孔尘土颗粒结构与无机盐化合物材料)、火山灰(多孔的硅酸盐颗粒或多孔的金属单质与化合物复合材料)、硅藻土、蛋白石(SiO2微颗粒的聚集体)、石棉(天然硅酸盐纤维)、植物或动物或其它可燃矿物、有机物燃烧后的灰烬(多孔碳及碳纤维、复杂无机物微颗粒的聚集体，其中包含C60和纳米碳管等)、钙化的动物骨骼与角质层与植物化石及其粉末等。
[0008]物理计算与測量表明，多孔材料【*文献I】的热导率相比于结构基体材料的热导率而言大为降低，因而它可以用作ー种绝热结构材料。基于这样的科学认识，二氧化硅气凝胶成为研发的重点【*文献2】。总之，经历了一百余年的研发历程【*文献2~16 专利11~15】、尤其是在高产率合成路线【*文献5~12 ;*专利16】、以及大規模エ业制造技术相对成熟以后【*文献13】，业界基本确认人造多孔结构材料“二氧化硅气凝胶”(Silicaaerogel)可以成为全面替代石棉的主要候选【*文献17~21】,而具有改良结构的二氧化娃气凝胶材料、以及其它材质的气凝胶材料如氧化招气凝胶(Alumina aerogel)也成为关注对象【*文献22~31 ;*专利17】。
[0009]二氧化硅气凝胶材料是目前已知实体材料中热导率最低的材料；而且它的热导率与材料的多孔度高度相关，通过适当改变相关制造參数，我们可以方便地调控二氧化硅气凝胶制成品的多孔度，从而实现对于其热导率的调控。2003年，美国劳伦斯?利弗莫尔国家实验室的二氧化硅气凝胶样品创造了ー些列记录:密度最低达lmg/cm3【*文献32】；多孔度可高达99.98%、热导率可低至0.004瓦/米?开尔文(W/m ? K)。最近二十年,二氧化娃气凝胶作为管道、高耗能大型エ业设备、集装箱、舱室、大型储罐等的绝热包裹层的制造与应用规范已基本定型。例如，石化、钢铁、冶金等行业已经开始全面使用二氧化硅气凝胶来替代石棉、聚氨酯泡沫等传统绝热材料。同时，二氧化硅气凝胶也具有其它ー些极具应用价值的性质而被关注，如对液体、粉尘、油气等的超级吸附功能等。
[0010] 因而围绕二氧化硅气凝胶材料的制造与改进、创新应用的设计和示范成为热能エ程领域的前沿主题之一。研究与应用实践表明，二氧化硅气凝胶作为绝热材料的广泛应用还存在ー些需要解决的问题。其一，合理成本的大規模エ业制造技术；其二，机械强度差。前者不是本发明的关注点，就不在这里讨论了。而如何突破机械强度差的应用瓶颈，是本发明所试图解决的问题之一。
[0011]二氧化硅气凝胶是ー种多孔结构材料，它非常脆。而且是在其制造、装配和使用的各个环节都容易开裂而破碎化。如上所述，二氧化硅气凝胶的热导率是ー个结构关联的參数，它可以经改变基体材料的多孔度也即通过改变基体架构材料的表观密度而调控——多孔度(Pa)越大，或者等价地说基体结构材料的表观密度(Pa)越小，其热导率就越低。计算表明，当表观密度小于0.228克/厘米3 (0.228g/cm3)，二氧化硅气凝胶的热导率将低至0.019瓦/米?开尔文(0.019W/m*K)以下【*文献33】，这ー数值将低于环境温度27°C时空气的热导率(0.026W/m ? K)。毫无疑问，在非真空环境下，ー种固体材料的热导率能够低于空气的热导率，作为ー种绝热材料，这ー标志性超越使得二氧化娃气凝胶真正成为ー种革命性绝热材料。可是伴随这ー热导率阈值，二氧化硅气凝胶将变得非常容易破碎。Fricke的研究表明【*文献16】，当二氧化硅气凝胶的(表观)密度小至0.10-0.15g/cm3时，其杨氏模量在 1.0-3.2 兆帕(Young，s modulusE = 1.0-3.2MPa)数量级；而当密度小于 0.05-0.1Og/cm3时，其杨氏模量小于等于1.0兆帕。我们的研究发现【*文献33】，视内部裂纹织构及块材厚度而定，杨氏模量在1.0兆帕的二氧化硅气凝胶板材的抗折强度在0.05-0.5兆帕(MPa)范围。Leventis等人的ー个抗折测试表明，未经结构强化的杨氏模量为I兆帕左右的二氧化硅气凝胶原始样品在0.12千克カ的负载下即折断【*文献28】。这ー试验结果间接掲示了机械强度差是二氧化硅气凝胶的应用瓶颈。一般而言，静置状态下二氧化硅气凝胶材料尚可以支撑适当质量的重物，但是如果试图把材料直接用于诸如个人便携式可移动电子设备上，则该材料将不能胜任，因为任何一次过载较大的摔碰，气凝胶都将开裂而破碎；而对于智能手机、平板电脑、照相机、移动电源而言，这种摔碰司空见惯。计算表明，具有硬质外壳的智能手机(通常质量在120克的数量级，0.12~0.20kg)从I米高处自由摔落到硬质砖石、水泥路面或混凝土柏油路面时，在碰撞时间低于0.1秒的近弹性碰撞情况下，手机的瞬时过载可高至5-10倍重力加速度(5-10g)【*文献34】。
[0012]对于地表环境里的大多数应用而言，不论其它參数的要求如何，一般来说，系统所用材料的強度越大，则系统的功能寿命往往越长，这是好的。考虑到超级绝热的二氧化硅气凝胶都超级易碎，所以为了增加材料表观强度，应用时可以采用诸如加厚板材、多层不同结构强度的二氧化硅气凝胶交替叠层、表面覆层增韧后再多层叠层等常识性的构型增强手段来满足要求，但是这种解决方案的一个代价就是相关系统的尺度、体积与重量可能会大到不便于使用或得不偿失。所以，物理所期待的理想情况仍然是在不过分改变二氧化硅气凝胶主体结构及其功能性參数的前提下来提高结构材料的本征强度。例如，可以利用一种聚合物交联剂(二异氰酸酯交联剂，a diisocyanate cross-linker:0CN-R-NC0)參与的二氧化硅枝络表面硅羟基(silanols，-SiOH)的钝化覆层[聚六亚甲基二异氰酸酷，poly (hexamethylene diisocyanate), C8H12N2O2]技术来实现结构强化,这种纳米结构工程效果显著，测试显示，其中一个样品的抗折强度提高了两个数量级(100倍)【*文献28】。
[0013]值得指出的是，这种聚合物表面覆层的增韧手段是一把双刃剑。这是因为表面改性后结构材料的强度虽然提高了，但改性后材料的热导率一定或多或少地高于原始材料的本征值；也就是说，聚合物表面覆层增韧是以或多或少地牺牲原始材料的绝热优势为代价的。总之，二氧化硅气凝胶的微结构所決定的多孔度、逾渗阈值、表观密度等结构參数与热导率、杨氏模量、机械强度等物性參数是高度关联的，所以实际应用时，需要结合应用所需求的绝热阈值(满足绝热要求的热导率上限)、以及应用环境与系统条件所決定的对于应用材料的质量、体积、形状的限定来对二氧化硅气凝胶的结构与物性參数进行关乎合成路线的联合设计。所以，从技术层面上说，加厚材料的解决方案适宜于对体积、质量、外形无苛刻限制的场合，典型的如大多数大型装备、设备、管道、仓库、楼宇等系统；但对于便携式可移动产品而言，厚与重的材料都不妥，这一局限可以通过提高材料的本征强度的手段来解决，可是值得关注的是，任何依托于改变材料本征物性而提升产品功效的路线都属于高成本的路线。评估表明，对于低复杂层次的小尺度产品而言，其制造环节里増加任何一步关乎材料本征性能改变的エ艺步骤都将増加10-30%的制造成本，因而从商业运营角度考量，如此成本级别的一步エ艺增删几乎决定了 ー个产品的商业成败。
[0014]综上所述，超级绝热的二氧化硅气凝胶都超级易碎，这ー机械强度的缺陷使得它难以胜任重力场环境里的自支撑绝热系统。基于这一考量，本发明提出ー种基于结构绝热原理的绝热悬挂系统，该系统利用ー种典型而通用的装配结构，将为“具有超低热导率的二氧化硅气凝胶”在便携式 可移动产品中的广泛使用提供一种可行的而且是低成本的解决方案；这种“结构绝热”方案可以在保证系统所要求的绝热指标下有效减少二氧化硅气凝胶的使用量而减小功能系统的总体积。
[0015]典型的实例之一，“绝热悬桂”【*专利1，本发明】的装配结构尤其适宜于便携式可移动装备与器物，例如适用于地表及近外层空间超正常低温环境的便携式“绝热悬挂二次电池”的实现【*专利2】;我们认为“绝热悬挂”甚至可能是低成本实现“适用于超正常低温环境的便携式绝热移动电源”的“唯一”解决方案；不仅如此，作为ー种可移植性的通用结构，绝热悬挂同样适于制作超级绝热的封装与储运系统；
[0016]典型的实例之二，结合另ー种结构绝热技术——“绝热悬浮”【*专利3】，我们可以实现静置式或移动式大型装置的绝热封装，例如“绝热悬浮二次电池”——基干“绝热悬桂”与“绝热悬浮”结构的、适用于超正常温度环境的大功率直流储能电站(锂离子二次电池组矩阵)【*专利4】；
[0017]典型的实例之三，“绝热悬挂”及其所用的“热短路结构”中的“均热薄膜”是确保基干“微纳电子エ艺”制造的集成于系统集成芯片上的“绝热探測与传感模块”拥有高灵敏度以至于超高灵敏度的不可或缺的先决条件之一，也就是说，“均热薄膜”是制备能够具有超高响应灵敏度的基干“绝热悬桂”的“超级绝热芯片”的决定性エ艺，例如我们的发明实例“基于绝热悬挂的温度传感芯片”【*专利5】。
3.
【发明内容】

[0018]3.1详细摘要；
[0019]3.2发明技术及其应用领域的一般描述；基于所发明技术的概念性产品构成与产品功能的一般定义。
[0020]3.1
【发明内容】
:详细摘要
[0021]本发明《绝热悬挂》公开了ー种位于实体空间里不同系统间的基于实体连接的热联通与关联技术，其特征是通过使用“绝热材料”及其实体结构来构成空间里不同系统之间的ー种“热绝缘边界”，又称“绝热边界”。本发明公布了“绝热边界”的两个典型的实体形态及其实施方案:其一，ー种用以在实体空间里悬挂并固定目标物的“绝热材料线绳”及其“典型悬桂”，所谓“绝热悬挂”；其二，用干“绝热悬浮”结构的“绝热悬桂”。
[0022]“绝热悬挂”可以有助于在温度不同的系统之间实现“热输运的尽可能最大限度地阻滞”，从而尽可能最大限度地延长所关注系统与环境系统之间达到热平衡的时间，从而实现一定指标的“隔热”甚至“绝热”;特别的，这种“绝热悬挂” _在实现对“目标物”本身及其工作状态的ー种适于应对“周边环境或系统”的“超正常低温或高温”的有效的“绝热维持与保护”;该“绝热維持与保护”的“有效性”内涵是指以“绝热悬挂”而使得“目标物”可以安全地在预设的、需要的或“所能接受的”时限内持续并正常地工作于具有“超正常”温度的“周边环境或系统”中。
[0023]“绝热悬挂系统”具有经过设计的机械强度和绝热參数，该系统通过使用典型的“悬挂/固定/支撑”结构，把“绝热”、“支撑”和“悬挂”三个要素功能分别由不同的材料模块来实现:其一，用“机械强度极差但绝热性能极好的绝热材料”即所谓“超级绝热材料”来实现绝热功能，这些材料包括二氧化硅气`凝胶、三氧化二铝气凝胶、其它低热导率的金属氧化物气凝胶、或其它低热导率的陶瓷气凝胶、聚合物/ 二氧化硅复合结构气凝胶等；其二，用金属与陶瓷刚性材料与结构来实现系统模块的支撑与固定；其三，作为绝热悬挂的典型结构特征，“需要被绝热的模块”是被“满足机械强度与绝热要求”的陶瓷或有机聚合物材质的“绝热线”捆绑固定并按“优化路径”悬挂于刚性支撑框架上。
[0024]“绝热悬挂”是ー种基于结构绝热原理的技术，涉及系统模块的热能工程与结构カ学的联合设计。其典型的装配结构能有效弥补“超级绝热材料”的机械强度的严重不足，从而为“超级绝热材料”的广泛使用提供了一类普适的且低成本的绝热结构方案。
[0025]我们认为“绝热悬挂”将成为在便携式小尺度产品中有效应用“超级绝热材料”的不可或缺的基础性技木。经对系统结构模块的联合參数设计，“绝热悬挂”可以在保证系统所要求的绝热指标下有效减少二氧化硅气凝胶的使用量而减小功能系统的总体积，这ー技术方案具有实质性意义——因为我们认为“绝热悬挂”甚至可能是利用二氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶等超低热导率材料以及所有超高多孔度的“超级绝热材料”在“便携式个人移动产品”中“实现超级绝热功能”的“唯一”的低成本解决方案。
[0026]例如，我们以这一技术为基础而发明的基干“绝热悬桂”的便携式“绝热电池”【*专利2】、基干“绝热悬桂”与“绝热悬浮”结构的基站式“绝热电池”——“绝热电站”【*专利4】、基干“绝热悬桂”的在线式“绝热传感器”【*专利5】。其中便携式“绝热电池”适于在超正常低温环境下储运、携帯与工作；基站式“绝热电池”适于在超正常低温或高温环境下储藏、静置与工作；在线式“绝热传感器”不仅限于低温环境，还可工作于高温环境。
[0027]下面以几个具体实例来简要说明上述“唯一”的确切所指。
[0028]实例一，“绝热悬挂电池”【*专利2】。“绝热悬挂电池”的ー个典型产品实例是“适用于超正常低温环境(-50でー200で及以下)的便携式绝热移动电源”。在这ー实例产品中，我们用“陶瓷或有机聚合物绝热线”来捆绑需要绝热保护的功能模块——锂离子二次电池，然后再用绝热线把锂离子二次电池沿优化路径悬挂固定于产品内部的铝合金盒架上；之后再用“二氧化硅气凝胶颗粒或薄膜”填充铝合金盒架与电池之间的空间来实现绝热。经过对系统结构模块的联合參数设计，“绝热悬桂”因提供了足够的机械强度而可以在保证系统所要求的绝热指标下有效减少二氧化硅气凝胶的使用量而减小功能系统的总体积，这ー步具有实质性意义，因为这可能是利用“超低热导率的二氧化硅气凝胶”材料在“便携式个人移动产品”中“实现超级绝热功能”的“唯一”充分有效并且是低成本的技术路线，因而也是最可行的商业路线。总之，“便携式绝热移动电源”这ー创新产品，将特别适合冬季严寒地区使用；
[0029]实例二，“绝热悬浮电池”【*专利4】。依托“绝热悬桂”【*专利I】和另ー种结构绝热技术——“绝热悬浮”【*专利3】，并结合应用“无线通讯”控制技术和“无线电力”输运(无线充电)技术【*文献35~36】，将可以实现针对于ー个功能系统真正意义上的“完全绝热”。例如我们可以实现ー种静置式或移动式大型装置的绝热封装——“绝热二次电池储能电站”【*专利4】。
[0030]实例三，“绝热传感芯片”【*专利5】。“绝热悬挂”及其所用的“热短路结构”中的“均热薄膜”是确保基干“微纳电子エ艺”制造的集成于系统集成芯片上的“绝热探測与传感模块”拥有高灵敏度以至于超高灵敏度的不可或缺的先决条件之一，也就是说，“均热薄膜”是制备能够具有超高响应灵 敏度的基干“绝热悬桂”的“超级绝热芯片”的决定性エ艺，例如我们的发明实例“基于绝热悬挂的温度传感芯片”。
[0031]总之，“绝热悬挂”是ー种可用干“绝热封装/包装”的集成解决方案，其科学内涵属于材料与结构系统的力学、热学与热能工程学范畴；而从制造与应用角度考量，“绝热悬桂”可归于“先进封装/包装”【技术领域】。值得指出的是，绝热悬挂所具有的通用性绝热结构及其所具备的超级绝热功效已经使其超越基本封装技术范畴而成就ー种具有重大应用价值的新概念技术。
[0032]3.2
【发明内容】
:所发明技术及其应用领域的一般描述；基于所发明技术的概念性产品的结构与材料构成、产品功能、产品制造的一般定义
[0033]图1环境空间里物体的绝热维持:“防冻”或“隔热”。
[0034]图1-1环境空间的温度为Ttl，其中有裸露的无规物体A ;
[0035]图1-2环境空间的温度为Ttl，其中的无规物体A包覆着一层闭合的外.S1，物体A与闭合外壳S1拓扑学同心。其中壳层S1可以由刚性材料、绝热材料、或刚性的绝热材料构成；
[0036]图1-3 环境空间的温度为Ttl，其中的无规物体A包覆着两层拓扑学同心的闭合外壳S1与S2。其中壳层S1与S2可以由刚性材料、绝热材料、或刚性的绝热材料构成；[0037]图ト4环境空间的温度为Ttl，其中的无规物体A包覆着多层“拓扑学同心”的闭合壳层，从里到外，依次为S1, S2,, Sn。其中壳层S1, S2,, Sn可以由刚性材料、绝热材料、或刚性的绝热材料构成。
[0038]如(图1)所示，考虑环境空间里的一个裸露的无规物体A (图1-1)，需要对其进行绝热维持——“防冻”或者“隔热”，基本措施是在物体A表面包覆ー层低热导率材料S1以阻碍其与环境的热交换(图1-2);这ー层低热导率材料S1就是绝热边界。
[0039]更加优化的设计中可以采用两层绝热包覆层S1和S2 (图1-3)，两层材料结构ー方面可以更加绝热，另一方面为系统结构參数的调控提供了便利，设计中我们可以利用不同材料来实现不同的功能指标，从而可以最大限度地发挥所用结构材料的优势性的功能指标，基于这样的考虑，一种优化的设计是让内包覆层S1来负责“绝热”而让外包覆层S2来负责“支撑”。一所以可以选取热导率更低的材料(因而更加多孔并脆弱)来作为内包覆层S1，而可以选取机械强度相对高ー些(因而多孔度小一些而热导率相应高ー些)的绝热材料来作为外包覆层S2，实际上S2兼作系统的刚性保护外売。
[0040](图1-3)所示双壳层绝热结构的制造可以采用下述四类技术路线而实现、但不仅限于下述四类技术路线:
[0041](图1-3)技术路线之一,首先制造刚性材质的绝热外壳S2,外壳S2可通过两个半球壳的扣接而构成完整的闭合外売；再把物体A悬架于在ー个支架上并固定，然后将物体A及其悬架安置于外壳S2的ー个半球壳甲之内，悬架使得物体A大致位于外壳S2的球心处，这时再扣接外壳S2的另ー个半球壳こ；胶粘固结或焊接外壳S2的两个半球壳的扣接接ロ ；然后再从外壳S2上的预留孔道向内层(物体A与外壳S2之间的空间)填充聚合物气凝胶反应原料；等待聚合物气凝胶的原位反应生成；反应完毕后聚合物气凝胶层S1形成，并将致密地填满物体A与外壳S2之间的 空间；最后封闭外壳S2上的预留孔道以完成双壳层绝热结构的制造。该技术路线的潜在不足在于物体A的悬架，这是因为该悬架将在物体A和外壳S2之间构成联通的热交换通道；而且作为支撑用途，悬架的机械强度相比与作为绝热用途的“聚合物气凝胶层S/’而言是更高的，一般而言，结构材料的热导率与其机械强度是正相关的，所以，相对刚性的悬架的热导率一般要高于聚合物气凝胶层的热导率，因此该悬架将构成物体A和外壳S2之间的热流短路通道，从而变相地削弱内绝热层S1的功效；这一系统结构的不足我们将通过“绝热悬桂”来改进，參阅(图2)及其说明；
[0042](图1-3)技术路线之二,先制造刚性材质的绝热外壳S2,外壳S2可通过两个半球壳的扣接而构成完整的闭合外壳；先把外壳32的ー个半球壳甲“碗ロ”向上放置并适量装填“超级绝热二氧化硅气凝胶颗粒” (I~5mm大小)【注释:“超级绝热”意指材料具有“超低”的热导率。通常这类材料如“超高”多孔度的二氧化硅气凝胶、三氧化二铝气凝胶、其它一些金属氧化物或硅酸盐的气凝胶、聚合物/ 二氧化硅复合结构气凝胶等】;然后把物体A放置于S2半球壳球心处；再把外壳S2另ー个半球壳こ“碗ロ”向上放置并适量装填“超级绝热二氧化硅气凝胶颗粒”;接近装满后用纸覆盖半球壳こ；然后把覆纸半球壳こ倒扣于已放置物体A的半球壳甲；再小心抽出覆纸；适当摇晃以使“超级绝热二氧化硅气凝胶颗粒”均匀充填于物体A周边；固结或焊接外壳S2的两个半球壳的扣接接ロ ；双壳层绝热结构的制造完成;
[0043](图1-3)技术路线之三——技术路线之二的改进方案之一，技术路线之二的内部结构存在ー些弊端。因其中的“超级绝热二氧化硅气凝胶颗粒”机械强度很差，而且装填的颗粒间存在空隙，如果物体A质量较大，那么在重力场环境中使用时，即使在系统处于准静置的前提下，随着时间推移，物体A将逐渐“沉降”而与外壳S2直接接触，这个接触使得“超级绝热二氧化硅气凝胶颗粒”所构成的内绝热层S1变相失效；还存在另外ー个快速失效机制，如果系统在经常性的大过载条件下使用，如遭遇经常性的摔碰(对于个人便携式产品)、或遭遇经常性的加速与紧急制动(如用于交通工具或飞行器内的产品)，则物体A将大过载挤压或冲压“超级绝热二氧化硅气凝胶颗粒”层，这将造成两种主要后果:其一，会出现物体A与外壳S2直接接触的情况；其二，二氧化硅气凝胶颗粒会因物体A的大过载挤压而破裂并粉末化。所以，我们可以采用ー个改良的方案:先实施技术路线二以完成双壳层绝热结构的制造；然后再从外壳S2上的预留孔道向“超级绝热二氧化硅气凝胶颗粒”所构成的内绝热层S1灌注绝热胶来粘结二氧化硅气凝胶颗粒，从而实现内绝热层的增韧；——总之，这ー步エ艺的优点与缺点不相上下，该エ艺涉及先进的绝热胶材料，胶粘エ艺实施难度较大，而且胶粘均匀性难以实现一致性的エ艺控制，评估表明，该エ艺导致的成本增加不低于整个成本的30% );
[0044](图1-3)技术路线之四——技术路线之二的改进方案之二，针对于上述胶粘エ艺的问题，可以采用“表面覆层增韧”的“超级绝热二氧化硅气凝胶颗粒”板材或型材。这ー表面覆层可以棉布、陶瓷玻璃丝网、聚合物薄膜等。在系统使用温度不超出聚合物薄膜的温度耐受上限的情况下，聚合物薄膜覆层增韧技术是可靠、便捷和低成本的エ艺。这一系统结构的不足我们也可以通过“绝热悬挂”来改进，參阅(图2)及其说明；
[0045]如(图1-4)所示，在不考虑成本的前提下，多层覆层(A/S/Sy.? ?/Sn)可以在产品系统的设计层面带来包括材料、结构、エ艺、装配等多方面的选择性，从而可以实现更多可能性的系统參数调控。实例说明:考虑4/?/?/?/?(从里到外)结构，其中紧贴于物体A的S1层可以为刚性绝热材料或柔韧的聚合物材料，S2层为(图1-3)技术路线之二所用“超级绝热二氧化硅气凝胶颗粒”;S3层材质与S1层相同(刚性绝热材料或柔韧的聚合物材料)；s4为刚性材质的保护外壳，S4也可以选择低热导率的绝热材料。
[0046]图2环境空间里物体的绝热悬挂。
[0047]在(图1)所示的多壳层绝热结构的制造中，为实现高的绝热指标，几个典型的绝热结构都使用了超级绝热材料作为内绝热层(S)。本征形态下的超级绝热材料机械强度差、非常容易破碎，承重能力有限，而且这些材料甚至都难以承受一般摔碰所造成的冲击过载，这ー不足成了阻碍气凝胶ー类的超级绝热材料在便携式可移动产品中应用的最大瓶颈，为此我们提出“绝热悬桂”的解决方案。四种典型形态的“绝热悬桂”如(图2)所示。
[0048]“ 绝热悬挂系统”具有经过设计的机械强度和绝热參数，该系统通过使用典型的“悬挂/固定/支撑”结构，把“绝热”、“支撑”和“悬挂”三个要素功能分别由不同的材料模块来实现:其一，用“机械强度极差但绝热性能极好的绝热材料”即所谓“超级绝热材料”——二氧化硅气凝胶、三氧化二铝气凝胶、其它ー些金属氧化物或硅酸盐的气凝胶、聚合物/ 二氧化硅复合结构气凝胶等——来实现绝热功能；其二，用金属与陶瓷刚性材料与结构来实现系统模块的支撑与固定；其三，作为绝热悬挂的典型结构特征，“需要被绝热的模块”是被“满足机械强度与绝热要求”的陶瓷或有机聚合物材质的“绝热线”捆绑固定并按“优化路径”悬挂于刚性支撑框架上。[0049]本发明中“悬挂”的物理含义如下:其一，把ー个物体(甲I)通过悬挂“相对固定”于另ー个物体(甲2)上，这两个物体及实现悬挂的悬挂线、绳、链(甲3)等构成ー个系统(乙D ; “相对固定”指在一个參考系(丙I)下，该系统(乙D无论是处于相对静止状态还是运动状态，物体(甲I)和物体(甲2)的相对位置保持不变；其二，物体(甲2)是刚体；(甲3)有一定弾性，但也类刚体。
[0050]图 2-1环境空间的温度为Ttl，其中无规物体A被四根悬线(ai，a2，a3，a4)四面体悬挂固定于闭合的外壳S2的内壁上(物体A与闭合外壳S2拓扑学同心)，其中外壳S2可以由刚性材料、绝热材料、或刚性的绝热材料构成。——四根悬线(ai，a2，a3，a4)的四面体悬挂固定:(图2-1注I)如果物体A (质量为m)位于ー个重力场(重力加速度为g)环境中，即物体A所受的重力Ga = mg，同时四根悬线(ai，a2，a3，a4)的重量可以忽略不计且四根悬线绷紧，设四根悬线内的张カ为则物体A所受的合力Fa等于0 (Fa = f1+f2+f3+f4+GA=0)。该物理描述的典型实例实际所指可以是位于地表重力场环境里的任何物体，这个“地表”可以指地球表面，也可以指火星探測器所面对的火星表面；(图2-1注2)如果物体A位于绝对空间里，即假设物体A处于ー个局域的失重状态(局域条件Ga = 0成立)，同时四根悬线(ai，a2，a3，a4)的重量可以忽略不计且四根悬线绷紧，设四根悬线内的张カ为f\，f2，f3，f4,则物体A所受的合力Fa等于0 (Fa = f1+f2+f3+f4 = 0)。对应于该物理描述的ー个典型实例是航天飞行器的失重状态下被悬挂锚定于航天飞行器(飞船、卫星等)内壁上的所载物体(诸如探測器、电脑、电源等)的状态。
[0051]图2-2 环境空间里的无规物体A经拓扑学同心外壳S1与S2与外界隔离。(图2-2注I)环境空间T。、无规物体A、四根悬线(a1； a2, a3, a4)、外壳S2的定义与(图2-1)情形相同:环境空间的温度为Ttl，其中无规物体A被四根悬线(如a2，a3，a4)四面体悬挂固定于闭合的外壳S2的内壁上(物体A与闭合外壳S2拓扑学同心)；(图2-2注2)物体A与外壳S2之间填充另ー种材料以构成壳层S1,壳层S1与物体A与外壳S2内壁之间没有缝隙；其中壳层Sp S2可以由刚性材料、绝热材料、或刚性的绝热材料构成。
[0052]图2-3 环境空间里的无规物体A经拓扑学同心外壳S1与S2与外界隔离。(图
2-3注I)环境空间T。、无规物体A、四根悬线(a1； a2, a3, a4)、外壳S2的定义与(图2-1)情形相同:环境空间的温度为Ttl，其中无规物体A被四根悬线(?, a2，a3，a4)四面体悬挂固定于闭合的外壳S2的内壁上(物体A与闭合外壳S2拓扑学同心)；(图2-3注2)物体A与外壳S2之间填充另ー种材料以构成壳层S1,壳层S1与物体A不接触,壳层S1外壁与外壳S2内壁之间没有缝隙，在具体的实例中，壳层S1可以理解为外壳S2的内壁涂层或覆层；其中壳层Sp S2可以由刚性材料、绝热材料、或刚性的绝热材料构成。
[0053]图2-4 环境空间里的无规物体A经拓扑学同心外壳S1与S2与外界隔离。(图
2-4注I)环境空间T。、无规物体A、四根悬线(a1； a2, a3, a4)、外壳S2的定义与(图2-1)情形相同:环境空间的温度为Ttl，其中无规物体A被四根悬线(?, a2，a3，a4)四面体悬挂固定于闭合的外壳S2的内壁上(物体A与闭合外壳S2拓扑学同心)；(图2-4注2)物体A与外壳S2之间填充另ー种材料以构成壳层S1,壳层S1与物体A接触,壳层S1与外壳32内壁之间不接触，在具体的实例中，壳层S1可以理解为物体A的外涂层或覆层。其中壳层S1A2可以由刚性材料、绝热材料、或刚性的绝热材料构成。
[0054]图3平面上质点的绝热悬挂(忽略重力场):“正三角形悬挂”与“费马-托里拆利悬挂”
[0055]图3-1 平面上质点的绝热悬挂(忽略重力场):最优绝热悬挂为“正三角形悬桂”。——平面上点、闭合区域与外边界的典型关系。
[0056]图3-2平面上质点的绝热悬挂(忽略重力场):费马-托里拆利悬挂——总线长最短的三角悬挂。
[0057]图3-1 平面上质点的绝热悬挂(忽略重力场):最优绝热悬挂为“正三角形悬桂”。——平面上点、闭合区域与外边界的典型关系。
[0058]如(图3-1)所示，对于平面上需要绝热的质点O1，其所处的外部环境边界(圆周入)已经确定，在可以移动质点O1前提下，则对于质点O1的最优绝热悬挂为“正三角形悬桂”。ニ维平面上质点O1的最优绝热悬挂包含两个含义:其一，该质点被三角固定:固定平面上一点O1所需要的力(“线段”)的最少数目是3 (三条线段不共线)，设每条悬挂线内的张カ为も，则三角固定要求もデ0且Eも=0(即质点所受合力之和也即三条悬线张力之和为零，这就是“不共线且不为零的三共点力的平衡条件”)；其ニ，三悬挂线长度相等(1A1O1= 1A2O1= 1A3O1),且沿圆周对称分布，即A 1A11A21AJQ成等边三角形。——因为如果三悬挂线长度不等，则系统维持绝热指标的时间长短由三根悬挂线里长度最短的悬挂线決定的，该线段越短，则绝热維持时间越短。所以，在绝热边界的热导率不变的情况下，数学上要求质点在2 方向上距离外部环境边界(圆周入)的距离都处于极大值为最优，而这一数学极值点就是质点O1位于外部环境边界(圆周入)的中心；从对称性的要求也可以判断，最优绝热悬挂同时要求作为外部环境边界的圆周支架上的三个悬挂点对称分布，只有这样，沿三条悬挂线的“质点与外部环境边界之间的热交换当量”的空间分布对称且相等。
[0059](图3-1)所代表的实例说明:设需要被绝热的质点O1的初始温度为Taci,环境温度为T。，质点O1被三根等长的悬挂线1A1Op1A2Op1A3O1以“正三角形悬挂”固定于外部环境边界即圆周支架、上；悬挂线1A1Op1A2Op1A3O1是由低热导率的“绝热材料”制成的，即这三根悬挂线构成了质点O1与外部支架之间的“绝热边界”。假设质点O1与外部环境边界(圆周支架入)之间仅通过悬挂线进行热交换，即系统“质点/绝热边界/环境边界”位于真空且不考虑辐射传热。“绝热需求”的定义是通过使用绝热边界而尽可能避免质点O1与外部环境边界(圆周支架入)之间发生热交換。产品应用中有“保温”和“隔热”两类典型模式:其一，绝热维持的目标是质点O1,即要求质点O1的温度Taci尽可能維持不变，如果Taci大于环境温度Ttl，通常把这类绝热边界的功效定义为“保温”;其ニ，对于Taci小于环境温度Ttl的应用，则相应绝热边界的功效定义为“隔热”
[0060]图3-2平面上质点的绝热悬挂(忽略重力场):费马-托里拆利悬挂——绝热悬挂线总线长最短的三角悬挂
[0061]一种应用需求及其物理模型的数学描述:对于平面上的三角悬挂，存在一类悬挂需求，即要求三条绝热悬挂线的总长度为所有可能的三角悬挂中最短的ー种。例如，如(图
3-2)所示，在圆边界入内有一个系统，该系统为数个点的集合=F1, F2, F3> F4四点，F5和F6两点位于边界圆边界、上，其中F1与圆心O1重合；圆边界\是ー个具有无限大质量温度为Ttl的热沉，即在系统工作所关注的时长内，其温度Ttl恒定；F1、F2、F3、F4四点为有限质量，其初始温度均为TA(i。系统F1.F2, F3, F4四点按(图3-1)所述的三角悬挂而固定于圆边界入上，如果圆边界入与系统じ、卜ら、匕四点之间温度不等，则ニ者之间将通过绝热悬挂线而产生热输运:如果T0 < Tao,则F1' F2, F3> F4四点降温，而如果T0 > Tao,则F1' F2, F3> F4四点升温；系统し匕、ら、匕四点之间的热能输运是通过辐射和对流传热(非真空封装)而进行的；显然，在某些场合，系统绝热的要求是绝热悬挂线的単位时长内热输运当量越小越好【A Qat/ At = cm A T/At = CP密度LS A T/ A t = (c P密度S A T/ A t) L】，即要求在绝热悬挂线的比热与截面积不变的情况下，其总长度L越短越好；
[0062]另外如果绝热悬挂线是ー个工作关联的受激热源——例如，绝热悬挂线是系统连接导电线，则在工作时，绝热悬挂线本身会产生焦耳热【焦耳热AQ_le = I2RAt = I2(P电阻率L/S) At= (I2P即焦耳热与导线长度成正比】，即在系统工作时绝热悬挂线将变成ー个热源，则原则上也要求悬挂该点的三条悬挂线的总长度L越短越好。这类悬挂我们称之为“费马-托里拆利悬桂”。F1、F2、F3、F4四点的“费马-托里拆利悬挂”如(图
3-2)所不:悬挂F1点的悬挂线组为(1A1F1,1A2F1,1A3F1)、悬挂F2点的悬挂线组为(2A1F2il2A2F2,2A3F2)、悬挂F3点的悬挂线组为(3A1F3，3A2F3，3A3F3)、悬挂F4点的悬挂线组为(4A1F4，4A2F4，4A3F4)。
[0063](图3-2 注 I)费马-托里拆利点:The Fermat-Torricelli point ofatriangle ；费马:Pierre de Fermat (1601-1665);托11 拆利:Evangelista Torricelli (1608-1647)。
[0064](图3-2注2)考虑平面上共外接圆三角形的“费马-托里拆利”点:以几种典型的三角形为例。点Fi(i = 1,2,...，6)是AiA1iA2iA3的费马点。A 1A11A21A3是等边三角形，其费马点为F1且与 圆心O1重合A2A12A22A3是锐角三角形，其费马点为F2 ； A 3A13A22A3是鋭角三角形，其费马点为F3 ^4A14A24A3是直角三角形，Z 4A14A24A3是直角，其费马点为F4 ；A 5A15A25A3是钝角三角形，Z 5A15A25A3 = 120°，其费马点为F5且与Z 5A15A25A3F1的顶点5A2重合A6A16A26A3是钝角三角形，Z 6A16A26A3 > 120°，其费马点为F6且与Z 6A16A26A3的顶点6A2重合。
[0065](图3-2注3)费马定理:(I)平面内任意三角形AABC，如果其三个内角中最大的内角也小于120°，那么在AABC内存在唯一的一点F1，使得三线段F1A, F1B与F1C之和最小，这一点称为三角形AABC的费马点(Fermat point) ； (2)平面内任意三角形AABCjB果其三个内角中最大的内角大于等于120°，设Z A >120°，那么这个三角形的费马点F2与A点重合，即A点是费马点，且满足F2A+F2B+F2C = AB+AC <ヤス+ヤポ+ヤぶ，其中iF3是三角形AABC内的任意一点。
[0066](图3-2注4)由费马定理我们可以推论——引理1:共外接圆三角形的费马点所在区域不超出该外接圆。考虑ー类无限多三角形集合[AiA1iA2iA3Ki = 1,2,...，n，...°o )，所有这些三角形共有ー个外接圆O1，则所有这些三角形的费马点Fi所在区域不超出该外接圆O1的范围。具体地，对于那些最大内角都小于120°的三角形，则其费马点位于外接圆O1的圆周\之内的区域；对于那些最大内角大于等于120°的三角形，则其费马点位于外接圆O1的圆周\上。
[0067](图3-2注5)由费马定理我们可以推论——引理2:对所有共外接圆的三角形，对于那些费马点距离外接圆圆心越远的三角形，则其费马和越小(定义费马和为费马点到三角形三个顶点的距离之和)。数学上这些共外接圆的三角形的费马和存在极小值，即三角形两个顶点沿圆周无限靠近第三个顶点时，费马和的极限趋于0 (此时三角形的最大内角趋于180° )。其中正三角形A1A11A21A3的费马和为3R(R为外接圆半径)。[0068](图3-2注6)由费马定理我们可以推论——引理3:平面圆周内一点的最短路径的三角悬挂固定。圆周\内位置确定的任意一点FiQ = 1,2,.)可以通过连接该点与圆周\上任意ー组不重合的三点[nA1ZA2Un(其中n = 1，2，...，^)的线段而悬挂固定于圆周X上(圆周X对于点Fi的三角固定)，且AnA1nA2nA3的最大内角小于120°，则圆周、对于点Fi的三角固定的悬挂线总长为(nA1FJnA2FJnA3Fi);则圆周\上存在唯一的一组三点[iA1, iA2, iA山，即使得 AiA1iA2iA3 的“费马和”(PDFi = 1A1F,+1A2F,+1A3F1)最小，——
即Fi实际是A1A11A21A3的费马点。注:定义线段之和;^AA=iA1FメA2F,'A3F,?为“费马和”。
[0069](图3-2注7)上述讨论的属于二维情形，对于三维或更高维系统，费马-托里拆利悬挂仍然存在，例如，如(图4)所述的正四棱锥悬挂就是一种费马-托里拆利悬挂。对于非对称的一般情形，悬挂路径的确定可以演变为“斯坦纳树”(Steiner tree problem)的求解问题，我们称这种情形为“斯坦纳悬桂”。
[0070]图4环境空间里物体的正四棱锥悬挂
[0071]图4_1环境空间里球体的正四棱锥悬挂
[0072]如上所述，平面上质点的最优绝热悬挂是正三角形悬挂结构，对应于三维空间，类比的最优绝热悬挂是正四棱锥悬挂结构。
[0073](图4-1注I)实际上，正四棱锥绝热悬挂只是理论上成立的一个标准模型，(图
4-1)所示结构是一个正四棱锥绝热悬挂(为便于明了所讨论的点线面之间准确的空间位置关系，图中保留了作图的參考基线):无重力场真空环境空间的温度为Ttl，均质物体球体r的初始温度为Taci,球体r需要绝热悬挂于系统的均质球壳Q上,球壳Q是系统与环境空间的外部边界，且与球体r同心，标记为02。正四棱锥B1B2B3B4是球壳Q的ー个内接正四棱锥，正四棱锥B7B8B9Bltl是球`体r的ー个内接正四棱锥，正四棱锥B1B2B3B4与正四棱锥B7B8B9Bltl的对应的棱、棱面相互平行。球体r被四条绝热悬挂线B1B7, B2B8、B3B9、B4Bltl按正四棱锥对称结构悬挂固定于球壳Q上，四个悬挂点是も、B2、B3、B4。
[0074](图4-1注2)值得特别指出的是，正四棱锥绝热悬挂在现实条件下难以成立，下面列举ー些原因:(图4-1注2-1)，基于已知的物理认识，现实中“无重力场”环境不可能实现，所以微观层次上，一定量的物质实体沿“重力场方向”和“非重力场方向”的应变、键能、键振动及振动涨落等是不同的(各向异性)，即物理定义的“绝对均质”的物质实体不可能实现；这决定了物质实体的比热及最可几热输运路线其实与空间位置相关联的函数，从而导致物质实体的瞬态温度变化存在不可预期的涨落；(图4-1注2-2) “绝对真空”在宇宙中或许可能存在，但现实地表环境下及人力所及的有限宇宙空间范围内，对已知的物质实体，不论采用什么办法，人工真空达不到“绝对”的程度，这首先是因为我们无法完全抑制物质实体外露表面上原子外层电子的涨落逃逸，而电子的这ー涨落逃逸必然导致局域空间的热能分布的涨落，这ー物理现实其实也是人居现实中不可能完全实现“绝对黑体”的原因之一；其次，真空泵抽得的真空或者托里拆利真空【Torricellian vacuum, EvangelistaTorricelli (1608-1647)】等人造真空都无法绝对杜绝目标空间里气体分子或其它非气体物质原子的存在；(图4-1注2-3)由物质原子构成的实体表面必然是各向异性的，这决定了物质实体表面的热辐射存在方向性涨落。[0075](图4-1注3)上述讨论的主要目的是为了构建绝热悬挂理论的完备性，其中有的现实是针对极端需求所決定的极端条件下所必须面对的物理现实。例如(图4-1注2-2)所讨论的电子的涨落逃逸，这ー物理现实是诸如“人工实现绝对零度”的实践中所必须要尽可能抑制的不利因素之一。不过对于人居环境的常规意义的应用，本发明技术路线所意向的狭义的实例产品(商品)并不需要考虑这些极端“微扰”量级的热涨落。
[0076]图4-2环境空间里无规物体的正四棱锥悬挂
[0077]不规则物体的最优绝热悬挂“原则上”也是正四棱锥悬挂结构。
[0078](图4-2注I)正四棱锥悬挂结构的“一般”确定:如(图4-2)所示，不规则物体I的质心为O3，然后由质心03定出球壳Q的位置，即使得球壳Q的球心与不规则物体I的质心O3重合；正四棱锥iB1iB2iB3iB4是球壳Q的第i个内接正四棱锥，其中i = 1，2，3...;连接O3iB1, O3iB2, O3iB3, O3iB4，这四条线段与不规则物体I的外表面的交点分别为％、iB8, iB9,iB1。，則球壳Q上的悬挂点组(iB1, iB2, iB3, %)、不规则物体I外表面上的悬挂点组(iB7, iB8,iB9, iB10)和四条绝热悬挂线iB1iB7.1B2iB8, iB3iB9, iB4iB10实现对于不规则物体I与球壳Q之间的正四棱锥悬挂；
[0079](图4-2注2)“最优”正四棱锥绝热悬挂的数学模型:显然，按(图4-2注I)的操作而定出的正四棱锥悬挂因不规则物体I的外表面而不唯一确定；在不规则物体I的外表面上可能存在无限多组、也可能是有限多组、或仅有ー组、或甚至是没有ー组正四棱锥顶点[(%，iB8, iB9, iBm), i = 1,2,3...]以实现“最优”正四棱锥绝热悬挂。这个“最优”应满足的条件是:悬挂线等长(iB1iB7 = iB2iB8 = iB3iB9 = iB4iB10);且E iLn =(--+--+--+--^取极大值，此即意味着要求不规则物体I外表面上的悬挂点距离球壳Q的距离最远；
[0080](图4-2注3)“接近最优”的正四棱锥绝热悬挂的数学模型:按(图4-2注I)的操作定出关联悬挂点组[(iB1·, iB2, iB3, iB4)，i = 1，2，3...]和[(iB7, iB8, iB9, iBltl)，i = 1,2,3...];如果找不到任何ー组正四棱锥定点使得四条绝热悬挂线iB1iB7.1B2iB8, iB3iB9.1B4iB10等长，即四条悬挂线的长度不满足条件(iB1iB7 = iB2iB8 = iB3iB9 = iB4iBltl)，那么该球壳Q与不规则物体I之间不存在“最优”正四棱锥绝热悬挂，但存在“接近最优”的正四棱锥绝热悬挂。“接近最优”的正四棱锥绝热悬挂所需满足的数学条件有两个:其一，这四条悬挂线(iB1iB7, iB2iB8, iB3iB9, iB4iB10)之间的长度差越小越好，数学上表示即为要求[AiLn= (1?/B7-1B2iB81 +1 iB1iB7-1B3iB91 +1 iB1iB7-1B4iB101 +1 iB2iB8-1B3iB91 +1 iB2iB8-1B4iB101 +1 iB3iB9-1B4Ie101)]取极小值；其二，要求[E iLn = (--+--+--+--^]取极大值；实际操作时通过数值仿真求解:遍历球壳Q上的所有正四棱锥顶点组[(iB1, iB2, iB3, iB4)，i = 1，2，3...]及其在不规则物体I外表面上的关联悬挂点组[(%，iB8, iB9, iB10), i = 1，2，3...]，找出使得△ iLn 极小和 E iLn 极大的悬挂线组(iB1iB7, iB2iB8, iB3iB9, iB4iB10)。显然，当 A iLn=O 且 E iLn取扱大值时的悬挂结构就是(图4-2注2)所指“最优”正四棱锥绝热悬挂；
[0081](图4-2注4)“原则上”也是正四棱锥悬挂结构:因为不规则物体I的绝热悬挂中包含非理想状态的“接近最优”的正四棱锥绝热悬挂，所以我们说——不规则物体I的最优绝热悬桂“原则上”也是正四棱锥悬挂结构；
[0082](图4-2注5)“接近最优”的正四棱锥绝热悬挂的物理模型:(图4-2注3)所定义的“接近最优”的正四棱锥绝热悬挂物理上并非精准，实际上，“接近最优”的数学建模是ー个复杂问题。一旦不规则物体外表面找不出哪怕ー组悬挂点(iB7, iB8, iB9, iBltl)以实现(图
4-2注2)所定义的“最优”悬挂而只能采取悬挂线不等长的“接近最优”悬挂，那么问题将变得发散而难以建立准确的模型。例如，就本图实例而言，设球形外壳的温度与环境空间的温度相同(Ttl)，不规则物体I的温度为Taci,当A T=T0-Ta0デO吋，不规则物体I将通过悬挂线与环境空间发生热交換，这样“接近最优”的正四棱锥绝热悬挂实质是求解悬挂点及其邻域的瞬态温度变化、温度分布以及热能密度分布问题，这需要综合考虑下述九个影响因素:
[0083](图4-2 注 5-1)，“绝热悬挂线 A 长度差函数 AiL/ ——[* A iLn= (| iB1iB7-1B2iB8+1 iB1iB7-1B3iB91 +1 iB1iB7-1B4iB101 +1 iB2iB8-1B3iB91 +1 iB2iB8-1B4iB101 +1 iB3iB9-1B4iB101)]；
[0084](图4-2 注 5-2)，“绝热悬挂线 A 长度和函数E iLn”——[* E iLn= (iB1iB7^B2iB8+1B3iB9^B4iB10)]；[0085](图4-2注5-3)，“绝热悬挂线A的热辐射函数Js(x，y，z，T，t) ”——[*JS (x,y,z, T, t) [ e s o Ts (x, y, z, T, t)4]Rs(x, y, z, T, t)Ls(x, y, z, T, t) A (x, y, z, T, t),其中e i0 Ts(x,y,z,T,t)4是绝热悬挂线外表面的黑体福射功率，O是Stefan-Boltzmann常数，e !是绝热悬挂线外表面的黑体辐射系数，Ts (X，y,z,T, t)是绝热悬挂线外表面的瞬时温度函数，Rs (X, Y，z, T, t)是绝热悬挂线的半径，Ls (X, Y，z, T, t)是绝热悬挂线的长度，A (x,y，z，T，t)是绝热悬挂线的位置与时间相关的修订函数。];
[0086](图4-2注5-4)，“不规则物体I在悬挂点(iB7,iB8, iB9, iB10)邻域处的表观密度
分布函数 P “X, j, z, T, t) ” -[* P “X, y, z, T, t) = In1 (x, y, z, T, t)/V1 (x, y, z, T,
t) P 10[l-pI(x, y, z, T, t)] YlP,其中In1 (x, y, z, T, t)是不规则物体I的质量分布函数，V1 (x,y,z,T,t)是不规则物体I的体积函数，P 10是不规则物体I的基体材料的密度，P1U,y，z，T，t)是不规则物体I的多孔度函数，Ylp是不规则物体I的表观密度关联幂指数。];
[0087](图4-2 注 5-5), “不规则物体 I 比热分布函数 C1 (x, y, z, T, t) ” -[^c1 (x, y,
z, T, t) c10[1-P1 (x, y, z, T, t) ] Yl。,其中cI(l是不规则物体I的基体材料的比热，P1U, y,z,T,t)是多孔度函数，Y1。是比热关联幂指数。];
[0088](图4-2注5-6)，“不规则物体I热导率分布函数kT (x，y，z，T，t) ”——[*k j(x,y, z,T, t) K ^[l-pjx, y, z, T, t)] YlK ,其中 k I(l 是基体材料的热导率，P1 (x, y, z, T, t)是多孔度函数，Y1k是热导率关联幂指数。];
[0089](图4-2注5-7)，“不规则物体I外表面的热辐射函数J1(x，y,z,T, t) ”——[^J1 (x,y, z, T, t) [ e j o Tj(x, y, z, T, t)4] {sj(x, y, z, T, t) P ^[1-P1 (x, y, z, T, t) ] y1pVi (x, y, z,T，t)} I (x，y，z，T，t)，其中eェo T1 (x, y, z, T, t)4是不规则物体I外表面的黑体辐射功率，O是Stefan-Boltzmann常数，e i是不规则物体I外表面的黑体福射系数，T1 (x, y, z, T, t)是不规则物体I外表面的瞬时温度函数，S1 (x, y, z, T, t) = {s^x, y, z, T, t) P 10[l-Pi(x,y, z, T, t)] y1pViU, y, z, T, t)}是不规则物体I的表面积函数，S1 (x, y, z, T, t)是不规则物体I的比表面积函数，P 10[l-P! (x, y，z, T, t)]YP是不规则物体I的表观密度函数，P 10是不规则物体I的基体材料的密度，P1(X^j5Lt)是不规则物体I的多孔度函数，Ylp是不规则物体I的表观密度关联幂指数，V^x, y, z, T，t)是不规则物体I的体积函数，I (X，1，z, T，t)是不规则物体I的位置与时间相关的修订函数。];
[0090](图4-2注5-8)，“球壳Q内表面的热辐射函数Jn(x，y，z，T，t) ”——[*Jfi (xy,Z, T, t) OC ( e n 0TQ4)Rノ Q (x，y，z，T，t)，其中e n o Ttl4球壳Q内表面的黑体辐射功率，σ是Stefan-Boltzmann常数，ε Ω是球壳Ω内表面的黑体辐射系数，Ttl是球壳Ω的温度，Ri2是球壳Ω的半径，Ω (X，y, ζ, T，t)是位置与时间相关的修订函数。];
[0091](图4-2 注 5-9)，“封装腔体内空气传热”——[*AQ=c(x，y，z，T，t)mAT ^ c(x，y, z, T, t)mA [P(x，y，z, T, t)V(x, y, z, T, t)],其中 c(x, y, z, T, t)是封装腔体内空气的比热函数，m是不是封装腔体内空气的质量，P (X，y,z,T, t)是封装腔体内空气的压强函数，V(x, y, z, T, t)是封装腔体内空气的体积函数。上述函数的自变量说明:f=f(x，y，ζ, Τ,t) =f (χ坐标，y坐标，ζ坐标，温度T，时间t)。
[0092]图4-3环境空间里无规物体的正四棱锥悬挂:均热薄膜。
[0093](图4-3注I)“接近最优”的正四棱锥绝热悬挂的优化设计:在基于本发明技术路线的实际产品设计中，可以依据应用、材料、结构设计来进行热交换关联参数的设计约化。(图4-3注1-1)，本发明特征实例产品的基本结构形态是把需要绝热维持的功能模块绝热悬挂于刚性支架后再真空封装，在这一结构框架下，并且对于多数典型的应用场合，封装腔体内的空气传热可以忽略；(图4-3注1-2)，不作特殊处理的情况下，不规则物体I外表面、球壳Ω内表面的热辐射一般而言可归于影响系统热平衡的主要因素之列；另外，对于多数典型的应用场合，外表面积较小的绝热悬挂线Λ的热辐射影响不大而甚至可以忽略。不规则物体I外表面、球壳Ω内表面的热辐射是可以通过应用一些特征结构与材料来抑制。如图(图2-2)所示，如果采用超级绝热二氧化硅气凝胶作为内绝热层(S1),而且对球壳Ω内表面、内绝热层S1和不规则物体I的外表面适当修饰，则可以大大减弱封装腔体内不规则物体I外表面、球壳Ω内表面的热辐射的影响。这些抑制表面热辐射的措施包括:对封装球壳内表面进行抛光并构建镜面化金属表面层，或可同时对气凝胶内绝热层S1外表面包覆“表面镜面光滑的金箔、银箔、铝箔”或其它“表面镜面光滑的金属箔”；或者对需要抑制热辐射的表面进行一类特征波长涂层处理，这类特征波长涂层具有对特征波段的电磁波的吸收率高、发射率低、反射率低的特点。这里所述的特征波长是指一定温度物体热辐射强度达到最大时所对应的波长，可通 过实验测量确定，也可结合黑体辐射的维恩位移定律以及灰体-黑体辐射修订来确定。例如对于作为参照的黑体辐射，根据维恩位移定律(Wien’sdisplacement law)可以计算黑体福射强度达到最大时的对应波长:温度300K黑体福射峰值波长 300Κ λ 最大=b/T0=2.898 X IO6K.nm/300K=9.66 X 103nm ~9.7 μ m (红外波段);温度3695K黑体辐射峰值波长3695Κ λ最大=b/Tw=2.898 X IO6K.nm/3695K ^ 784nm(近可见光波段)，其中3695K对应的是钨的熔点；(图4-3注1-3)，“接近最优”的正四棱锥绝热悬挂系统的热输运模式的决定性优化。经过(图4-3注1-1)和(图4-3注1-2)所述的基于材料与结构设计优化，系统结构模块间的热输运模式可以得到有效简化，此时，系统结构与材料的热学设计大致可以只考虑“需要绝热维持的功能模块”通过“绝热材质的悬挂线”、“封装外壳”而与环境空间的热交换。换句话说，对于“接近最优”的正四棱锥绝热悬挂系统，可以认为决定悬挂点邻域瞬态温度变化[ΛΤ(χ，y, z, t) |t=tj的主要因素首先是不等长悬挂线所造成的热交换不平衡，其次是悬挂点邻域的质量密度分布、比表面积及多孔度的分
布。【*AT(x，y，z，t) t=tj = Δ Q(x, y, z, T, t)/[cj(x, y, ζ, Τ, t) Am1 (χ, y, ζ, Τ, t) | 悬挂点邻域]，其中C1U, y, ζ, Τ, t) C10[1-P1 (χ, y, ζ, Τ, t) ]Ylc, C10是不规则物体I的基体材料的比热，Pl(x，y，z，T，t)是不规则物体I的多孔度函数，Y1。是不规则物体I的比热关联幂指
数，Δ In1 (X，y，z，T，t) I 悬挂点邻域-P 工(x，y，z，T，t) Δ V1 (x, y, ζ, Τ, t) | 悬挂点邻域0° P ?ο [1_Ρι (χ，y, z, T, t)] Ylp AV^x, y, z, T, t) |是不规则物体I表面悬挂点邻域的质量分布函数，AV1 (x, y, ζ, T, t) I是不规则物体I表面悬挂点邻域的体积函数，P 10是不规则物体
I的基体材料的密度，Ylp是不规则物体I的表观密度关联幂指数。】可见，如果物理上严格考虑悬挂线不等长及悬挂点邻域微结构的差异性所带来的复杂性，那么问题发散而近乎无解。为此，我们提出一种“热短路结构”的解决方案，这一结构可以彻底屏蔽“不规则物体的微结构差异”所导致的“悬挂点邻域的非均衡热场分布”的不确定性，并且也均衡了悬挂线不等长所造成的热交换当量的差异(等效于对不等长悬挂线进行热的“截长补短”操作)。“热短路结构”工作原理的核心是在不规则物体I表面包覆热导率“无限大”(K IS-OC )的膜层，这一高导热膜层可以在极短的时间内(Ats —O)实现整个膜面的热平衡，我们称这一膜层为“均热薄膜”。
[0094](图4-3注2)本发明意向的产品实例中，“热短路结构”是由不规则物体I表面所包覆的热导率“无限大”的导热膜层构成的，这一导热膜可以是高导热的石墨粉或C60或纳米碳管或金刚石颗粒(热导率900_2320W/m.K)或Graphene (热导率~5300W/m.K)的胶粘涂层；实际上，对于大多数应用场合，直接在不规则物体I表面包覆高导热金属薄膜[Al (热导率 237W/m.Κ)，Au(热导率 318W/m.Κ)，Cu(热导率 401W/m.Κ)，Ag(热导率 420W/m-K)]也是足以胜任“均热”需求的制造路线，而且如果采用镜面光滑的金属薄膜还可以带来如(图4-3注1-2)所述的屏蔽表面热辐射的好处。如后所述【《〈绝热悬挂〉【具体实施方式】》乙2|本发明优选的绝热悬挂线实例:“绝热的悬挂线”——高性能无机物与有机聚合物纤维】，在温度低于190°C的场合，本发明意向产品所使用低热导率的绝热悬挂线基体材质为 Wallace Hume Carothers (1896-1937)于 1935 年发明的尼龙【热导率 0.2W/m.K，Nylon (Polyamide)熔点190°C -350°C】,或Eduard Simon于1839年发明的聚苯乙烯(热导率0.033ff/m.Κ，Polystyrene，熔点240°C )、或尼龙与聚苯乙烯的混合结构材料(热导率~
0.lW/m*K，熔点~200°C )，显而易见，和Graphene相比，热导率高低相差IO5~IO6倍。总之，通过使用“均热薄膜”，不规则物体的“接近最优”的正四棱锥绝热悬挂问题可以简化悬挂线等长的“最优”正四棱锥绝热 悬挂问题，这一“均热薄膜”的热学结构为设计并制造相关实际产品带来完备意义上的可操作性，同时这也是实现正四棱锥绝热悬挂的最低成本的技术路线。
[0095]至此，我们完备地介绍了绝热悬挂的物理原理及其技术实施的基本要素。值得指出的是，针对现实应用的大多数产品，其绝热悬挂并非总是需要面对临界条件的困难，也就是说一般而言系统应用需求所定义的绝热指标往往具有较大调整窗口，从而绝热悬挂线和内部绝热材料与系统结构的选择余地就可以很大。例如在二氧化硅气凝胶的参数设计中，需要定义的功能参数主要是热导率和机械强度，这是两个需要兼顾的关联参数，通常热导率越低机械强度也越低。所以原则上只要足够绝热，就不必要追求超级绝热，这样在设计中我们甚至可以选择再牺牲一些绝热指标而补偿机械强度指标，从而使产品结构系统具有承受更大过载的能力。当然，上述材料设计走的是标准技术路线，即通过改变材料的本征物性而满足设计要求；实际应用中，就机械强度而言，我们可以简单通过增加材料的用量来提高结构系统的负载与抗过载能力。【图5】和【图6】介绍了几种实用的悬挂方式，如立方悬挂、面心悬挂、面心-棱锥悬挂。这些悬挂通常条件下并非物理意义上的最优绝热悬挂，但毫无疑问，在制造环节，它们的结构使得装配具有灵活的可操作性。例如立方悬挂用了 8条绝热悬挂线，而面心悬挂也用了 6条绝热悬挂线。如前所述，空间里悬挂固定一个物体所用悬挂线的最少数目是4 (正四棱锥悬挂)，这意味着对于相同的总负载，如果采用立方悬挂，则悬挂线的机械强度为正四棱锥悬挂指标的1/2就够了 ；同理，面心立方的为2/3。
[0096]图5正方体或长方体(六面体)的绝热悬挂。
[0097]图5-1正六面体的立方悬挂。
[0098]图5-2正六面体的面心悬挂。
[0099]图5-3正六面体的面心-棱锥悬挂。
[0100]图5-1正六面体的立方悬挂。
[0101]环境空间里正六面体(正方体)的立方悬挂结构如(图5-1)所示。需要绝热悬挂的规则物体是正方体X-C1C2C3C4C5C6C7C8，其中心与球壳Ω (兼作悬挂支架)的球心O4重合K1C7延长线与球壳Ω交点为DpD7 ;C3C5延长线与球壳Ω交点为D3、D5 ;C2C8延长线与球壳Ω交点为D2、D8 ;C4C6延长线与球壳Ω交点为D4、D6;交点(DijD27D3jD4jD5jD6jD7jD8)所构成的正方体O-D1D2D3D4D5D6D7D8是球壳Ω的内接正六面体；悬挂点组分别为正方体X的8个顶点(C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8)和正方体 Φ 的 8 个顶点(D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7, D8) ；8条绝热悬挂线(C1D1, C2D2, C3D3, C4D4, C5D5, C6D6, C7D7, C8D8) ?巴需要绝热维持的正方体X悬挂于球壳Ω上。我们定义这种悬挂方式为立方悬挂。
[0102]实际应用中，通常正方体O-D1D2D3D4D5D6D7D8也可以用作刚性悬挂支架，例如可以用刚性金属丝或刚性陶瓷丝构成；如果正方体Φ的六个面是由刚性平板构成，则其也可以作为封装外壳。
[0103]数学上，如果六面`体X-C1C2C3C4C5C6C7C8为长方体，我们也可以构建一个长方体Φ-D1D2D3D4D5DeD7Dp可按正六面体的立方悬挂结构构建长方体的立方悬挂。
[0104]图5-2正六面体的面心悬挂。
[0105]环境空间里正六面体(正方体)的立面心悬挂结构如(图5_2)所不。球壳Ω、正六面体(正方体)x、正六面体(正方体)φ同心(04)，其空间几何关系与(图5-1)的相同；(E1, E2, E3, E4, E5, E6)正六面体(正方体)Χ的6个面心；(F1, F2, F3, F4, F5, F6)是正六面体(正方体)Φ的6个面心；(E1F1, E2F2, E3F3, E4F4, E5F5, E6F6)延长线与球壳Ω的交点为(G1,G2, G3, G4, G5, G6);悬挂点组分别为正六面体(正方体)Χ的6个面心(E1, E2, E3, E4, E5, E6)和球壳 Ω 上 6 个交点(G1, G2, G3, G4, G5, G6) ；6 条绝热悬挂线为(E1G1, E2G2, E3G3, E4G4, E5G5,E6G6)把需要绝热维持的正方体X悬挂于球壳Ω上。我们定义这种悬挂方式为面心悬挂。
[0106]实际应用中，通常正六面体(正方体)O-D1D2D3D4D5D6D7D8也可以用作刚性悬挂支架，这时，悬挂点组分别为正六面体(正方体)Χ的6个面心(E1, E2, E3, E4, E5, E6)和正六面体(正方体)Φ 上 6 个面心(F1, F2, F3, F4, F5, F6) ；6 条绝热悬挂线为(E1F1, E2F2, E3F3, E4F4,E5F5, E6F6)把需要绝热维持的正方体X悬挂于正六面体(正方体)Φ的六个面上。如果正方体Φ的六个面是由刚性平板构成，则其也可以作为封装外壳。
[0107]数学上，如果六面体X-C1C2C3C4C5C6C7C8为长方体，我们也可以构建一个长方体Φ -D1D2D3D4D5D6D7D8。可按正六面体的面心悬挂结构构建长方体的面心悬挂。
[0108]图5-3正六面体的面心-棱锥悬挂。
[0109]环境空间里正六面体(正方体)的面心-棱锥悬挂结构如(图5-3)所示。球壳Ω、正六面体(正方体)Χ、正六面体(正方体)Φ同心(O4)，其空间几何关系与(图5-1)的相同；(E1, E2, E3, E4, E5, E6)正六面体(正方体)X的6个面心(本图未标明)；(F1, F2, F3,F4, F5, F6)是正六面体(正方体)Φ的6个面心；(E1F1, E2F2, E3F3, E4F4, E5F5, E6F6)延长线与球壳 Ω 的交点为(G1, G2, G3, G4, G5, G6)；
[0110]以正六面体(正方体)X的一个面C5C6C7C8为例，先连接F6C5, F6C6, F6C7, F6C8，记为(F6-C5, C6, C7, C8)，此为棱锥悬挂；再连接G6F6，此为面心悬挂；这样G6F6和棱锥悬挂(F6-C5,C6, C7, C8)就构成了正六面体(正方体)X的一个面C5C6C7C8的面心-棱锥悬挂结构，记为(G6-F6-C5, C6, C7, C8);照此办理其它五个面的悬挂结构相同。这样6个面的悬挂结构为{(G1-F1-C1, C2, C6, C5)，(G2-F2-C2, C3, C7, C6)，(G3-F3-C3, C4, C8, C7)，(G4-F4-C1, C4, C8, C5)，(G5-F5-C1, C2, C3, C4)，(G6-F6-C5, C6, C7, C8)}。我们把这样的悬挂定义为面心_棱锥悬挂。
[0111]实际应用中，通常正六面体(正方体)O-D1D2D3D4D5D6D7D8也可以用作刚性悬挂支架，这时，悬挂点组分别为正六面体(正方体)X的8个顶点(D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7, D8)和正六面体(正方体)Φ上6个面心(FpF^FrFpFyF6)t5这种情况下，可以采用(面心-顶点)结构的棱锥悬挂，六个面的悬挂结构为((F1-CijC27C6jC5), (F2-C2, C3, C7, C6), (F3-C3, C4,C8, C7)，(F4-C1, C4, C8, C5)，(F5-C1, C2, C3, C4)，(F6-C5, C6, C7, C8)}。如果正方体 Φ 的六个面是由刚性平板构成，则其也可以作为封装外壳。当然，正六面体(正方体)O-D1D2D3D4D5D6D7D8用作刚性悬挂支架和封装外壳时，仍然可以采用面心-棱锥悬挂，在此不再赘述。
[0112]数学上，如果六面体X— C1C2C3C4C5C6C7C8为长方体，我们也可以构建一个长方体Φ — D1DZD3D4D5D6D7D815可按正六面体的面心-棱锥悬挂结构构建长方体的面心-棱锥悬挂。
[0113]图6圆柱体的绝热悬挂。
[0114]图6-1圆柱体的正四棱锥悬挂。
[0115]图6-2圆柱体的面心 -三角悬挂。
[0116]图6-1圆柱体的正四棱锥悬挂。
[0117]圆柱体Ψ与球壳Ω同心(O5)，圆柱体ψ的主轴B6B14和球壳Ω的直径B4B5重合。B1B2B3B4 是球壳 Ω 的一个内接正四棱锥。点(B11, B12, B13, B14)是线段(O5BijO5B27O5B3jO5B4)与圆柱体Ψ外表面的交点。悬挂点组为(Bn, B12, B13, B14)和(B1, B2, B3, B4)，4条绝热悬挂线(B1B1PB2BwB3BwB4B14)把需要绝热维持的圆柱体Ψ悬挂于球壳Ω上。我们定义这种悬挂方式为圆柱体的正四棱锥悬挂。
[0118]图6-2圆柱体的面心-三角悬挂。
[0119]圆柱体Ψ与球壳Ω同心(O5)，圆柱体Ψ的主轴B6B14和球壳Ω的直径B4B5重合。B1B2B3B4是球壳Ω的一个内接正四棱锥。线段(O5B4, O5B5, O5B18, O5B19, O5B20)与圆柱体Ψ外表面的交点为(B14, B6, B15, B16, B17)。悬挂点组为(B4, B5, B18, B19, B20)和(B14, B6, B15, ]316，B17),点(B18, B19, B20)是赤道大圆圆周与内接正四棱锥B1B2B3B4的棱(B1B4, B2B4, B3B4)所在大圆圆周的交点，三角形B18B19B2tl是正三角形。5条绝热悬挂线(B4B14, B5B6, B18B15, B19B16,B20B17)把需要绝热维持的圆柱体Ψ悬挂于球壳Ω上。我们定义这种悬挂方式为圆柱体的面心_ 二角悬挂。
[0120]图7球体在重力场环境里的准稳定三角悬挂(重力参与的正四棱锥悬挂)。
[0121]如前所述，空间里悬挂固定一个物体所用悬挂线的最少数目是4(正四棱锥悬挂)。这里悬挂固定的“固定”指的是通过正四棱锥悬挂把被悬挂的物体和悬挂支架之间的“在空间里的相对位置”锁定。这种锁定对于便携式产品或移动式产品而言是必须的。而对于那些相对意义而言的“永久”静置的物品，我们可以采用(图7-1)所示的3条悬挂线的准稳定三角悬挂。该悬挂结构的几何关系如下:球壳Ω、球体gamma同心(O2),B1B2B3B4是球壳Ω的一个内接正四棱锥。点(B7，B8, B9, Bltl)是线段(O2BpO2B^O2ByO2B4)与被悬挂球体gamma外表面的交点。悬挂点组为(B1，B2，B3)和(B7，B8, B9), 3条绝热悬挂线(B1BrB2B^B3B9)把需要绝热维持的球体gamma悬挂于球壳Ω上，球体gamma所受重力方向沿O2B4竖直向下。我们定义这种悬挂方式为重力场环境里的准稳定三角悬挂。
[0122]关于本发明优选的产品实例的详细描述，请参阅《〈绝热悬挂〉【具体实施方式】》。
[0123]图8【具体实施方式】的优选实例一:“绝热悬挂”用于制作“绝热电池?*专利3]~适用于超正常低温的便携式绝热二次电池(绝热移动电源)里的绝热悬挂；
[0124]图9 【具体实施方式】的优选实例二:“绝热悬挂”用于制作“绝热悬浮二次电池电站”【*专利4】一适用于超低温温区的“绝热悬浮二次电池电站”里的绝热悬挂；
[0125]图10~图11【具体实施方式】的优选实例三:“绝热悬挂”用于制作“温度传感芯片，，【*专利5】一基于微纳电子工艺的标准钼电阻温度传感芯片里的绝热悬挂。4.【专利附图】

【附图说明】
[0126]图1环境空间里无规物体的绝热维持(“防冻”或“隔热”)的一般形式。
[0127]图1-1环境空间里裸露的无规物体；
[0128]图1-2有一层绝热保护层包裹无规物体；
[0129]图1-3有热导率不同的两层绝热保护层包裹无规物体；
[0130]图1-4有热导率不同的多层绝热保护层包裹无规物体。
[0131]图2环境空间里物体的绝热悬挂。
[0132]图2-1封装外壳内的无规物体的一般悬挂；
[0133]图2-2~图2-4内绝热层的三种形态。
[0134]图3平面上质点的绝热悬挂(忽略重力场):“正三角形悬挂”与“费马-托里拆利悬挂”
[0135]图3-1 平面上质点的绝热悬挂(忽略重力场):最优绝热悬挂为“正三角形悬挂”。——平面上点、闭合区域与外边界的典型关系。
[0136]图3-2平面上质点的绝热悬挂(忽略重力场):费马-托里拆利悬挂——总线长最短的三角悬挂
[0137]图4无规物体的绝热悬挂。
[0138]图4-1空间里球体的正四棱锥悬挂；
[0139]图4-2不规物体接近最优的正四棱锥绝热悬挂；
[0140]图4-3无规物体的正四棱锥绝热悬挂:不规则物体I表面的均热薄膜覆层。
[0141]图5正方体或长方体(六面体)的绝热悬挂。
[0142]图5-1正六面体的立方悬挂；
[0143]图5_2正六面体的面心悬挂；
[0144]图5-3正六面体的面心-棱锥悬挂。
[0145]图6圆柱体的绝热悬挂。
[0146]图6-1圆柱体的正四棱锥悬挂；[0147]图6-2圆柱体的面心-棱锥悬挂。
[0148]图1重力场环境里的准稳定三角悬挂(重力参与的正四棱锥悬挂)。
[0149]图7-1 重力场环境里的准稳定三角悬挂(重力参与的正四棱锥悬挂)(鸟瞰图)；
[0150]图7-2 重力场环境里的准稳定三角悬挂(重力参与的正四棱锥悬挂)(俯视图)。
[0151]图8【具体实施方式】的优选实例一:“绝热悬挂”用于制作“绝热电池”——适用于超正常低温的便携式绝热二次电池(绝热移动电源)里的绝热悬挂；【*专利2】
[0152]图8-1锂离子二次电池电芯；
[0153]图8-2顶点-面心捆绑；
[0154]图8-3均热薄膜；
[0155]图8-4绝热悬挂刚性盒架；
[0156]图8-5绝热悬挂之立方悬挂；
[0157]图8-6主绝热层 绝热填料:“超高多孔度超级绝热二氧化硅气凝胶颗粒”;
[0158]图8-7主绝热层:超高多孔度超级绝热二氧化硅气凝胶颗粒堆积壳体；
[0159]图8-8主绝热层:聚合物增韧的“超高多孔度超级绝热二氧化硅气凝胶颗粒”一体化壳体；
[0160]图8-9绝热悬挂典型实例之一:超级绝热锂离子二次电池电芯:
[0161]图8-10过渡绝热层:绝热性能仍然很好的中低多孔度二氧化硅气凝胶薄板；
[0162]图8-11过渡绝热层:绝热性能仍然很好的中低多孔度的二氧化硅气凝胶垫带；
[0163]图8-12附件:超级绝热电流导线【*专利6】；
[0164]图8-13附件:超级绝热垫圈【*专利7】。
[0165]图9 【具体实施方式】的优选实例二:“绝热悬挂”用于制作“绝热悬浮二次电池电站”一适用于超低温温区的“绝热悬浮二次电池电站”里的绝热悬挂；【*专利4】
[0166]图9-1 “立方悬挂”锂硫二次电池矩阵或锂离子二次电池矩阵；
[0167]图9-2 二次电池矩阵的一个实例；
[0168]图9-3绝热悬浮二次电池电站结构材料、模块、组件分解示意图(正侧视图)；
[0169]图9-4永磁体组件一种结构实例(俯视图)；
[0170]图9-5永磁体组件一种结构实例(正侧视图)；
[0171]图9-6永磁体组件一种结构实例(正侧视图)；
[0172]图9-7磁力限位磁体(俯视图)；
[0173]图9-8 “绝热悬浮磁体”与“磁力限位磁体”(正侧视图);
[0174]图9-9绝热悬浮电站装配结构示意图；
[0175]图9-10绝热悬浮电站电气系统模块组件示意图。
[0176]图10【具体实施方式】的优选实例三:“绝热悬挂”用于制作“温度传感芯片”——基于微纳电子工艺的标准钼电阻温度传感芯片里的绝热悬挂:基于绝热悬挂的温度传感芯片【*专利5】。
[0177]图11【具体实施方式】的优选实例三:“绝热悬挂”用于制作“温度传感芯片”——基于微纳电子工艺的标准钼电阻温度传感芯片里的绝热悬挂:基于绝热悬挂的温度传感芯片的简要制程。
5.【具体实施方式】
[0178]5.1 绝热悬挂；
[0179]5.2绝热悬挂系统及其所依托的主要功能材料与功能结构；
[0180]5.2.1绝热悬挂系统所依托的主要功能材料；
[0181]5.2.1-1 (甲)绝热悬挂系统所依托的主要功能材料之一:绝热材料与超级绝热材料；
[0182]5.2.1-1.甲11本发明优选的超级绝热材料实例
[0183]5.2.1-1.甲2|本发明建议的其它超级绝热材料实例
[0184]5.2.1-1.甲3|本发明对超级绝热材料的一般定义
[0185]5.2.1-1.甲4|本发明建议的超级绝热材料实例:氧化物气凝胶
[0186]5.2.1-1.甲5 |本发明建议的超级绝热材料实例:复合氧化物气凝胶
[0187]5.2.1-1.甲6 |本发明建议的超级绝热材料实例:氢氧化物气凝胶
[0188]5.2.1-1.甲7|本发明建议的超级绝热材料实例:硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐、碳酸盐气凝胶
[0189]5.2.1-1.甲8 |本发明建议的超级绝热材料实例:聚合物增韧的无机物气凝胶
[0190]5.2.1-1.甲9 I本发明建议的超级绝热材料实例:表面贴膜的无机物气凝胶
[0191]5.2.1_2(乙)绝热悬挂系统所使用的主要功能材料之二:绝热悬挂线；
[0192]5.2.1-2.乙11本发明对绝热悬挂线的一般定义
[0193]5.2.1-2.乙2 |本发明优选的绝热悬挂线实例:“绝热的悬挂线”——高性能无机物与有机聚合物纤维
[0194]5.2.1-2.乙3|本发明优选的绝热悬挂线实例:“绝热的悬挂线”或“不绝热的悬挂线”——人工微结构材料
[0195]5.2.1-2.乙4|本发明优选的绝热悬挂线实例:“不绝热的悬挂线”~金属弹簧、金属线、纳米碳纤维线(纳米碳管、碳纤维)
[0196]5.2.1_3(丙)绝热悬挂系统所使用的主要功能材料之三:用于热短路结构的高热导率均热薄膜；
[0197]5.2.2绝热悬挂系统所依托的主要功能结构；
[0198]5.2.2-1 ( 丁)绝热悬挂系统所使用的主要功能结构之一:绝热悬挂结构
[0199]5.2.2_2(戊)绝热悬挂系统所使用的主要功能结构之二:热短路结构
[0200]5.3【具体实施方式】的优选；
[0201]5.3.1 (图8)【具体实施方式】的优选实例一:“绝热悬挂”用于制作“绝热电池”——适用于超正常低温的便携式绝热二次电池(绝热移动电源)里的绝热悬挂；
[0202]5.3.2 (图9)【具体实施方式】的优选实例二:“绝热悬挂”用于制作“绝热悬浮二次电池电站”一适用于超低温温区的“绝热悬浮二次电池电站”里的绝热悬挂；
[0203]5.3.3 (图10?图11)【具体实施方式】的优选实例三:“绝热悬挂”用于制作“温度传感芯片”——基于微纳电子工艺的标准钼电阻温度传感芯片里的绝热悬挂；
[0204]5.4 绝热悬挂的六条热漏通道及其解决方案——基于绝热悬挂结构的系统与环境的热交换
[0205]通道(以优选产品实例“绝热电池”为例)；
[0206]5.5 总论。
[0207]5.1绝热悬挂
[0208]在《〈绝热悬挂〉
【发明内容】
》一节，我们系统地描述了 “绝热悬挂”的原理、材料、结构、功能指标、通用的基本实现方式(正四棱锥悬挂)与变通的简便实现方式(立方悬挂、面心悬挂)、以及相关应用产品的通用性制造路线(图1~图2)。“绝热悬挂”是一种集成技术，它由绝热材料(超级绝热材料二氧化硅气凝胶或三氧化二铝气凝胶等)、绝热悬挂线(尼龙-聚苯乙烯绝热线、Zylon纤维等)、绝热悬挂结构(正四棱锥悬挂、立方悬挂等)、刚性悬挂支架(表面氧化铝覆层的铝合金壳体)、热短路结构(高导热石墨颗粒涂层或铜箔银箔所构成的均热薄膜)的联合应用而实现具有超级绝热并且具有一定机械强度的结构系统；在有推广价值的现实应用产品中，如有必要还需结合对功能模块实施真空封装以实现超常指标的绝热，例如下述实例“绝热移动电源”；或通过“绝热悬浮”与绝热悬挂以实现极限指标的绝热即所谓“完全绝热”，例如下述实例“绝热悬浮二次电池储能电站”。
[0209]5.2绝热悬挂系统及其所依托的主要功能材料与功能结构
[0210]“绝热悬挂系统”具有经过设计的机械强度和绝热参数，该系统通过使用典型的“悬挂/固定/支撑”结构，把“绝热”、“支撑”和“悬挂”三个要素功能分别由不同的材料与结构模块来实现:其一，用“机械强度极差但绝热性能极好的绝热材料”即所谓“超级绝热材料”——二氧化硅气凝胶、三氧化二铝气凝胶、其它一些金属氧化物或硅酸盐的气凝胶、聚合物/二氧化硅复合结构气凝胶等——来实现绝热功能；其二，用金属与陶瓷刚性材料与结构来实现系统模块的支撑与固定；其三，作为绝热悬挂的典型结构特征，“需绝热维持的应用产品中的功能模块”是被“满足机械强度与绝热要求”的陶瓷或有机聚合物材质等的“绝热悬挂线”捆绑固定并按“优化路径”悬挂于刚性支撑框架上。
[0211]“绝热悬挂系统所依托的主要功能材料”包括绝热材料或超级绝热材料(颗粒、薄膜、板材、块材等，用作系统主绝热隔离层)、绝热悬挂线(用以悬挂需绝热维持的应用产品中的功能模块)、高热导率材料(用作均热薄膜或均热颗粒涂层)；“绝热悬挂系统所依托的主要功能结构”包括以“正四棱锥悬挂”为代表的“绝热悬挂结构”和“热短路结构”;下面详细描述“绝热悬挂系统所使用的主要功能材料与功能结构”的优选实例及其实施路线；以及绝热悬挂的典型悬挂方式及其在优选产品实例中的具体实施方案。
[0212]5.2.1绝热悬挂系统所依托的主要功能材料；
[0213]5.2.1-1 (甲)绝热悬挂系统所依托的主要功能材料之一:绝热材料与超级绝热材料；
[0214]5.2.1-1甲11本发明优选的超级绝热材料实例
[0215]本发明优选的超级绝热材料是下述五类材料但并不仅限于下述五类材料:(甲1-1) 二氧化娃气凝胶(SiO2 aerogels),制造方法参阅【*专利11~16 ;*文献2】;(甲1-2)三氧化二铝气凝胶(Al2O3 aerogels)，制造方法参阅【*专利17】;(甲1-3)聚氨酯泡沫(已是成熟的工业制成品)；(甲1-4)阳极氧化多孔氧化铝纤维膜【*专利18】；(甲1-5)聚乙烯、或聚苯乙烯、或聚苯胺一三氧化二铝气凝胶，其它聚合物一三氧化二铝气凝胶；
[0216]5.2.1-1甲2 |本发明建议的其它超级绝热材料实例[0217]特别指出的是，除上述五类材料之外，可以用以实现对功能模块的超级绝热维持的超级绝热材料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/复合结构材料；
[0218]5.2.1-1甲3|本发明对超级绝热材料的一般定义
[0219]“绝热悬挂”所指称的“超级绝热材料”及其赖以所实现的“超级绝热”有明确定义:“绝热悬挂”所用的“超级绝热材料”是指在人居地表环境里呈现为固态的具有超高多孔度的多孔结构材料，该多孔结构材料的热导率随多孔度的增加而降低，当多孔度大到一定阈值时(该阈值通常约为90% )，该多孔结构材料的热导率因低于同温度下的空气热导率而具备了“超级绝热”的能力；也就是说，本发明所指称的“超级绝热”的主要物理指标之一是在I标准大气压下环境温度27°C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。所有在人居地表环境里呈现为固态的物质都可以构成多孔结构材料，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”。
[0220]超级绝热材料的基本物理特征是多孔度高，例如，一般情况下，当SiO2与Al2O3等多孔氧化物结构材料的多孔度越大其热导率越低，当结构材料的多孔度达到90%时，其热导率将与空气的热导率相当(0.020-0.026 W/m.K)，这是一个标志性的临界指标；当多孔度继续增大时，则结构材料的热导率将低于空气的热导率；目前，已经工业化制造的超级绝热材料的典型代表是二氧化硅气凝胶，另外三氧化二铝气凝胶也可以实现工业化的制造。综上所述，在狭义定义的有意义的应用环境下，例如人居地表环境，我们把热导率低于空气热导率的“固态的多孔结构材料”都称为超级绝热材料，通常其多孔度的临界阈值为90%。结合“绝热悬挂结构”，这些“在人居地表环境里/热导率低于空气热导率的/固态的多孔度达到90%及以上的多孔结构材料”均可以用以实现对“需绝热维持的应用产品中的功能模块”的“超级绝热维持”，这是本发明所指“超级绝热材料”的主要物理内涵；
[0221]“超级绝热气凝胶”都是具有超高多孔度的，但具有超高多孔度的气凝胶并不一定能“超级绝热”。多数不易被氧化的金属或合金气凝胶不但不能超级绝热，相反地其导热性能还相当良好；在一些场合，这类金属可以用作“均热薄膜”。*注:例如“金Au气凝胶”的导热性能就比较好，而且当“金气凝胶”满足条件“多孔度尽可能地高且不至于太高而致其内部结构网络的全域实体连通通道断裂”的条件时，其等效热导率达到极大值，其对应的多孔度阈值大致为75%左右)。
[0222]在地表大气层的有氧/水汽/酸雾环境里，“超高多孔度的金属气凝胶与合金气凝胶”是难以稳定存在的，这是因为其中绝大多数材料都因具有极大的比表面积而十分容易被氧化或发生碱性或酸性化合等化学反应，而当其完全被氧化或发生其它碱性或酸性化合反应后，“超高多孔度的金属气凝胶与合金气凝胶”将因化学反应而变成多孔度适当降低但仍然较高的“高多孔度的氧化物气凝胶”、“高多孔度的多元复合氧化物气凝胶”、“高多孔度的氢氧化物气凝胶”或“高多孔度的硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐、碳酸盐气凝胶”，而这些经有氧基团化合的高多孔度的气凝胶都是接近于超级绝热的。
[0223]*注:例如“铜Cu气凝胶”的热导率比同多孔度的“金属金Au气凝胶”的热导率还高，但“超高多孔度的铜Cu气凝胶”是具有高比表面积的纳米结构材料，在地表大气层的有氧/水汽/酸雾环境里十分容易被氧化或发生碱性或酸性化合等化学反应，而形成诸如CuO, Cu2O, Cu (OH)2, CuSO4 或 CuCl2 等气凝胶。
[0224]5.2.1-1甲4 |本发明建议的超级绝热材料实例:氧化物气凝胶
[0225]基于本发明“超级绝热材料”的定义，理论计算预测，除SiO2气凝胶和Al2O3气凝胶之外，人居地表环境里其它同样可以用作“超级绝热材料”的氧化物气凝胶包括:(甲4-1)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；(甲4_2)贵重金属材质:PdO气凝胶、PtO气凝胶、Au2O3气凝胶、Ag2O气凝胶；(甲4-3)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、Ni2O3气凝胶、CdO气凝胶、BaO气凝胶、MoO3气凝胶、RuO2气凝胶、PbO气凝胶、Tl2O3气凝胶、HgO气凝胶、As2O3气凝胶、As2O5气凝胶、ZrO2气凝胶、SeO2气凝胶、SeO3气凝胶、SrO凝胶、Nb2O5气凝胶、CuO气凝胶、Cu2O气凝胶、MnO2气凝胶、MnO气凝胶、CaO气凝胶、ZnO气凝胶、TiO2气凝胶、Na2O气凝胶、Sc2O3气凝胶、Y2O3气凝胶、Ta2O5气凝胶、FeO气凝胶、Fe2O3气凝胶、TeO2气凝胶、Bi2O3气凝胶、SnO2气凝胶、GeO2气凝胶；(甲4_4)稀有、贵重或放射性材质(La系与Ac系材质)=La2O3气凝胶、Ac2O3气凝胶(放射性材质)、Ce2O3气凝胶、CeO2气凝胶、ThO2气凝胶(放射性材质)、Pr203气凝胶、Pa2O3气凝胶(放射性材质)、Pa02气凝胶(放射性材质)、PaO气凝胶(放射性材质)、Nd2O3气凝胶、UO2气凝胶(放射性材质)、Pm2O3气凝胶(放射性材质)、NpO2气凝胶、Sm2O3气凝胶、PuO2气凝胶、Eu2O3气凝胶、AmO2气凝胶、Gd2O3气凝胶、Cm2O3气凝胶、Tb2O3气凝胶、Bk2O3气凝胶、Dy2O3气凝胶、Cf2O3气凝胶、Ho2O3气凝胶、Er2O3气凝胶、Tm2O3气凝胶、Yb2O3气凝胶、Lu2O3气凝胶。注:上述“危险材质”氧化物气凝胶经针对性处理，例如利用下述“甲8|本发明建议的超级绝热材料实例:聚合物增韧的无机物气凝胶”所述的聚合物表面覆层手段改良后，则相关“危险材质”氧化物的聚合物复合气凝胶的安全性将提高。另外，值得指出的是，对于应用系统有材料排它性要求的应用场合，例如通过材料蒸气冷凝法制取超高纯材料的电炉系统，其用于收集高纯材料的石英管的绝热密封垫圈最好使用与制各材料同质元素的氧化物的气凝胶垫圈(多孔材质板)，这样以使得在高温加热需提纯的原料时，不至于引入垫圈材料的挥发物而导致污染。也就是说，“甲4|本发明建议的超级绝热材料实例:氯化物气凝胶”是否有毒或放射性、是否稀有或贵重不是该材料应用与否的唯一判据；
[0226]5.2.1-1甲5 |本发明建议的超级绝热材料实例:复合氧化物气凝胶
[0227]复合氧化物气凝胶也可以作为本发明所定义的超级绝热材料。例如“铝镁合金氧化物气凝胶” (AlxMgyOz)，“铁铝合金氧化物气凝胶” (FexAlyOz);硅酸盐系列:“铝硅合金氧化物气凝胶”(AlxSiyOz)、“铝镁硅合金氧化物气凝胶”(AlMgxSiyOz)、或“钙镁硅合金氧化物气凝胶” Ca0.3Mg0.4Si02 (CaMg3Si4O12,这一材料就是石棉)；
[0228]5.2.1-1甲6 |本发明建议的超级绝热材料实例:氢氧化物气凝胶
[0229]氢氧化物气凝胶也可以作为本发明所定义的超级绝热材料。例如:A1 (OH)3气凝胶、Zn(OH)2气凝胶、Mg(OH)2气凝胶、Fe(OH)3气凝胶、Ni (OH)2气凝胶、Cu(OH)2气凝胶、AlxSix (OH) z 气凝胶、AlxNix (OH) z 气凝胶、AlMgxSix (OH) z 气凝胶、CaMgxSix (OH)气凝胶；
[0230]5.2.1-1甲7 |本发明建议的超级绝热材料实例:硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐、碳酸盐气凝胶
[0231]硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐、碳酸盐气凝胶也可以作为本发明所定义的超级绝热材料。例如=Al2 (SO4)3气凝胶、AlPCV5气凝胶(低多孔度的材料通常称为分子筛)、FexAlyP04_5气凝胶；[0232]5.2.1-1甲8 |本发明建议的超级绝热材料实例:聚合物增韧的无机物气凝胶
[0233]无机物气凝胶的微结构呈高度多孔特征，是一种微米与纳米纤维的无规枝连与堆砌结构，当多孔度高于75%以上时，气凝胶材料的机械强度急剧下降，为此可以采用聚合物表面覆层增韧的办法来提高材料的机械强度。通常的制备手段是在气凝胶合成过程中引入聚合物的合成反应而构成一种聚合物与无机物的复合气凝胶。这种“聚合物一无机物复合气凝胶”也可以作为本发明所定义的超级绝热材料。与本征气凝胶相比，该材料的机械强度显著增强；不过其热导率相比于同多孔度的本征气凝胶的热导率有一定增加(即绝热指标有所下降)，而且由于引入低熔点聚合物，该复合气凝胶在应用中所能胜任的高温阈值显著下降，这是因为聚合物的局域熔化反而加剧气凝胶枝连结构的应力失配，从而造成气凝胶的枝连结构更易开裂。实例说明:这类材料已有范例，例如，利用一种聚合物交联剂(二异氰酸酯交联剂，a diisocyanate cross-linker:0CN-R-NC0)参与的二氧化娃枝络表面娃羟基(silanols, -SiOH)的钝化覆层[聚六亚甲基二异氰酸酯，poly(hexamethylenediisocyanate), C8H12N2O2]技术来实现结构强化,这种纳米结构工程效果显著,测试显示,其中一个样品的抗折强度提高了两个数量级(100倍)【*文献28】。
[0234]5.2.1-1甲9 |本发明建议的超级绝热材料实例:表面贴膜的无机物气凝胶
[0235]上述[甲8 I本发明建议的超级绝热材料实例:聚合物增韧的无机物气凝胶]范例材料的制备采取的是原位合成的技术路线，我们认为可以采用更为简便的聚合物增韧手段，例如直接在二氧化硅气凝胶板材的主面(上、下表面)贴膜来增加机械强度——首先在二氧化硅气凝胶板材的主面粘贴5~20微米厚度的聚乙烯或聚苯乙烯薄膜；然后非接触热熨聚合物薄膜，使其熔化后与气凝胶外表面紧密粘结，该方法可以通过使用超高多孔度(多孔度大于等于90% )的二氧化硅气凝胶颗粒而制成“大面积的/自支撑的/超级绝热二氧化硅气凝胶复合结构膜”【*专利7】。可以用来贴膜增韧气凝胶的聚合物薄膜如下所列但并不仅限于所列材料(甲9-1~甲9-16):
[0236](甲9-1)聚乙烯(Polyethylene, PE)薄膜；
[0237](甲9-2)聚四氟乙烯薄膜(PolytetrafIuoroethylene,简称 PTFE。DuPont 公司商品名Teflon?。熔点327°C，工作温度上限260°C )、Teflon FEP薄膜(Fluorinatedethylene propylene,简称 FEP。DuPont 公司商品名Teflon FEP?。熔点 260°C,工作温度上限 204°C )、Teflon PFA 薄膜(Perf luoroalkoxy,简称 PFA。DuPont 公司商品名 Teflon PFA?。熔点305°C，工作温度上限260°C)；
[0238](甲9-3)聚氯乙烯(PVC)薄膜；
[0239](甲9-4)聚丙烯(polypropylene,简称 PP)薄膜；
[0240](甲9-5)聚丙烯腈(polyacrylonitrile,简称 PAN)薄膜；[0241](甲9_6)乙烯-醋酸乙烯共聚物(ethylene-vinyl acetate copolymer,简称EVA)
薄膜；
[0242](甲9-7)尼龙(聚酰胺polyamide,简称PA,商品名Nylon?)薄膜、芳香族聚酰胺纤维系列薄膜(Aramid)；
[0243](甲9-8)聚氨酯(polyurethane,简称 PU)薄膜；
[0244](甲9-9)聚苯乙烯(polystyrene,简称 PS)薄膜；
[0245](甲9-10)聚苯胺(polyaniline,简称 PAni)薄膜；
[0246](甲9-11)聚批咯(polypyrrole,简称 PPy)薄膜；
[0247](甲9-12)聚烯烃薄膜(PV)(聚乙烯/乙烯_醋酸乙烯复合多层膜)；
[0248](甲9-13)无纺布(聚乙烯、聚丙烯、尼龙纤维等热压粘合膜)；
[0249](甲9-14)聚碳酸酯板(Polycarbonate,简称 PC)；
[0250](甲9-15)玻璃纤维或陶瓷纤维增强聚乙烯薄膜(PE/石棉纤维或SiO2纤维或Al2O3 / PE)；
[0251](甲9-16)多层复合膜(PE/ EVA / PE，或PE /尼龙纤维/ PE)。
[0252]5.2.1-2 (乙)绝热悬挂系统所使用的主要功能材料之二:绝热悬挂线
[0253]5.2.1-2乙11本发明对绝热悬挂线的一般定义
[0254]“绝热悬挂线”有两种含义，其一指“绝热的悬挂线”，这一定义下，要求悬挂线由低热导率材料构成，即该悬挂线是“绝热的”，例如下述[(图8)产品实例一:“绝热悬挂”用于制作“绝热电池”——适用于超正常低温的“便携式绝热二次电池”(绝热直流移动电源)里的绝热悬挂]所述的“绝热悬挂线”是由绝热性能尚可的高强度“尼龙-聚苯乙烯纤维混纺线”构成(热导率约0.1ff / m.K);其二指“绝热悬挂的线”，即“用于‘绝热悬挂系统’的‘悬挂线’”，简称“绝热悬挂用的线”，这一定义的范围涵盖了那些“悬挂线不需要是绝热的”应用场合。从严谨的定义角度可以说“绝热悬挂用的线”包括那些“绝热的悬挂线”。因此，在下面的技术描述中，强调使用低热导率材质悬挂线的场合，我们用“绝热的悬挂线”统称；而在不强制使用“绝热的悬挂线”也即相关悬挂也可以使用“不绝热的悬挂线”的场合，相关产品实例的名词描述我们就直接用“不绝热的悬挂线”来指代。例如下述[(图10)产品实例二:“绝热悬挂”用于制作“绝热电站”——适用于超正常温区的“绝热悬浮二次电池储能电站”里的绝热悬挂]里用于立方悬挂的高强度金属弹簧就属于“不绝热的悬挂线”。
[0255]5.2.1-2乙2 |本发明优选的绝热悬挂线实例:“绝热的悬挂线”——高性能无机物与有机聚合物纤维
[0256]本发明意向产品所使用“低热导率悬挂线”即“绝热的悬挂线”的优选实例为以下五类高性能纤维但并不仅限于这五类纤维材料(乙2-1?乙2-5):
[0257](乙2-1)[无机物]直径为微米至纳米尺度的无机物纤维束，例如SiO2微米/纳米线束、Al2O3微米/纳米线束、石棉纤维纺线、玻璃纤维纺线、其它陶瓷纤维纺线；
[0258](乙2-2)[有机物]高性能聚合物纤维:(乙2-2-1)天然聚合物纤维:麻纤维素、棉纤维素、树木纤维、羊毛、动物与人毛发、蚕丝、蜘蛛丝；(乙2-2-2)聚苯乙烯纤维:聚苯乙烯(Polystyrene)，简称PS，其热导率为0.033W / m.Κ，熔点为240°C，该纤维的工作温度应低于150-170°C ；(乙2-2-3)尼龙纤维(聚酰胺纤维):聚酰胺(Polyamide)，简称PA。美国杜邦公司的商品名“尼龙” Nylon?。尼龙材料的热导率0.2W / πι.Κ，熔点190°C-350°C，屈服强度45Mpa。尼龙纤维的工作温度应低于150-170°C ；(乙2_2_4)特氟龙纤维(聚四氟乙烯):聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene),简称PTFE或F4。美国杜邦公司的商品名“特氟龙” Teflon?，其热导率的典型值为0.25W / m.K，熔点为323°C ;特氟龙纤维的耐热性能优良，工作温区宽。例如，杜邦公司商品Teflon? PTFE DISP33材料的连续工作温度上限为220°C，能胜任的工作温区是(_196°C~+300°C )【*文献42】；(乙2_2_5)芳纶纤维:芳香族聚酰胺纤维系列(Aramidfibers),材料无熔点，耐热温度400°C (m-Aramid),550°C (p-Aramid)【*文献43】;美国杜邦公司商品KEVLAR?凯芙拉-49纤维(聚对苯二甲酰对苯二胺，PPTA)，中国芳纶1414(聚对苯二甲酰对苯二胺，PPTA)，美国DuPont公司商品Kevlar凯芙拉-29纤维(聚对苯甲酰胺纤维，PBA)【*文献44】,和美国DuPont公司商品“诺美克丝”NOMEX?聚间苯二甲酰间苯二胺【*文献45】，中国芳纶1313(聚间苯二甲酰间苯二胺)；(乙2-2-6)最纶纤维:最纶纤维的化学构成是聚对苯撑苯并二噁唑【poly (p-phenylene-2, 6-benzobisoxazole),简称ΡΒΟ】。其商业化制造商为日本東洋纺公司(Toyobo),商品名“最纶” Zylon?【*文献43】。最纶纤维耐热温度650°C，是所有有机纤维中耐热温度最闻的纤维。
[0259] (乙2-3)[有机物-有机物]高性能聚合物纤维混纺线:可用于混纺的聚合物纤维如(乙0002|0002)所列举但不仅限于其所列举。混纺不同类聚合物纤维主要是为了调控混纺线的机械强度与耐温性能，以期在绝热悬挂结构里实现成本控制所考量的“物尽其用”且“物有所值”。例如，尼龙纤维与聚苯乙烯纤维混纺线:混纺的目的在于综合尼龙线的强度优势和聚苯乙烯的绝热优势，可以说所得混纺线“比尼龙更绝热比聚苯乙烯更强韧”，该混纺线的热导率可以低至~0.1W / m.K及以下，熔点~200°C，该材料胜任的工作高温阈值是180°C左右；又例如尼龙与最纶(Zylon)纤维的混纺线:最纶纤维混纺尼龙纤维的主要目的是在于成本控制。当然在地表重力场环境里，当悬挂结构强度足以支撑被悬挂物体的重量且工作温区并非苛刻的前提下，就不必过量使用超级最纶纤维。
[0260](乙2-4)[有机物-无机物]聚合物与无机物微米/纳米纤维束混纺线:(乙2-2)所列举的高性能聚合物纤维与无机氧化物微米或无机氧化物纳米线的混纺线；可用的聚合物纤维不仅限于(乙2-2)所列举的聚合物纤维。
[0261](乙2-5)[无机物-有机物]聚合物表面覆层的金属或半导体氧化物微米/纳米纤维束:例如表层包覆聚乙烯或聚苯乙烯或聚苯胺的SiO2微米/纳米线；其它可用的聚合物薄膜如【甲9|本发明建议的超级绝热材料实例:表面贴膜的无机物气凝胶】所列举的聚合物薄膜，但并不极限于其所列举。
[0262]5.2.1-2乙3 |本发明优选的绝热悬挂线实例:“不绝热的悬挂线”——金属弹簧、金属线、纳米碳纤维线(纳米碳管、碳纤维)
[0263]详细描述参阅【《〈绝热悬挂〉【具体实施方式】》(图9)【具体实施方式】的优选实例二:“绝热悬挂”用于制作“绝热悬浮二次电池电站”一适用于超低温温区的“绝热悬浮二次电池电站”里的绝热悬挂】。
[0264]5.2.1-2乙4 |本发明优选的绝热悬挂线实例:“绝热的悬挂线”或“不绝热的悬挂线”——人工微结构材料
[0265]详细描述参阅【《〈绝热悬挂〉【具体实施方式】》(图10)【具体实施方式】的优选实例三:“绝热悬挂”用于制作“温度传感芯片”——基于微纳电子工艺的标准钼电阻温度传感芯片里的绝热悬挂】。
[0266]5.2.1-3丙绝热悬挂系统所依托的主要功能材料之三:用于热短路结构的高热导率均热薄膜
[0267]用高导热或者超级导热材料的超快传热来补偿不等长悬挂线带来的局域温度分布的不均衡。这样无规物体的接近最优的正四棱锥悬挂可以等效为正四棱锥悬挂。详细论述参阅【《〈绝热悬挂〉
【发明内容】
》一图4-3环境空间里无规物体的正四棱锥悬挂:均热薄膜】。
[0268]5.2.1-3丙11本发明优选的均热薄膜材料实例
[0269]成本相同的条件下，均热薄膜材料的热导率越高越好；所有热导率高的材料都可以作为均热薄膜。本发明优选的均热薄膜材料如下所列但并不仅限于其下所列。碳材料系列:高纯石墨粉、C60、纳米碳管、金刚石颗粒(热导率900-2320W / m.K)、Graphene (热导率~5300W / m.K);金属系列:原则上所有金属单质、金属化合物、合金材料都可以作为均热薄膜，代表性的金属有:招Al (热导率237W / m.K)，金Au (热导率318W / m.K)，铜Cu(热导率401W / 111*1()，银48(热导率4201 / m.K)。其材料形态包括:微米颗粒及其固结膜、纳米颗粒及其固结膜、多孔或泡沫膜、压延膜、微电子工艺制备的薄膜、化学法制备的薄膜。
[0270]5.2.1-3丙2 1用“本发明优选的均热薄膜材料”制作均热薄膜的具体实施方法
[0271](丙2-1)碳颗粒膜:碳颗粒形态包括高纯石墨粉、C60、碳纤维、纳米碳管、金刚石颗粒、Graphene。碳颗粒膜制备工艺:把碳颗粒倒入合适的胶液中，再对碳颗粒衆体进行磁力搅拌并结合使用超声波震荡，然后把均匀的碳颗粒胶浆涂敷在“需绝热维持的应用产品中的功能模块”的外壳表面，适当温度的红外烘烤致其干燥板结。
[0272](丙2-2)金属颗粒膜:(丙2-2-1)绝大多数金属材料都是高热导率的，这些材料都可以用来制作均热薄膜。金属颗粒膜制备工艺:把金属微米颗粒或纳米颗粒倒入合适的胶液中，再对金属颗粒浆体进行磁力搅拌并结合使用超声波震荡，然后把均匀的金属颗粒胶浆涂覆在“需绝热维持的应用产品中的功能模块”的外壳表面，再用红外烘烤致其干燥板结。(丙2-2-2)对于特殊定制或精密电子产品，如有必要可以采用纳米颗粒膜:例如使用银Ag纳米颗粒胶浆在室温下制备银膜。银纳米颗粒膜制备工艺:把2至5纳米直径的“金属银纳米颗粒”倒入合适的胶液中，再对“金属银纳米颗粒浆体”进行磁力搅拌，然后把均匀的“金属银纳米颗粒胶浆”涂敷在“需绝热维持的应用产品中的功能模块”的外壳表面，再用红外灯低温^0-8(TC )烘烤就可以使银纳米颗粒熔融、固结【*专利9】；
[0273](丙2-3)物理法制备的薄膜:(丙2-3-1)，通过碾轧展延金属板可以获得相应的金属压延板(典型厚度0.5mm-5mm)、金属压延薄板(典型厚度50 μ m-0.5mm)、金属压延箔(典型厚度0.5 μ m-50 μ m)。对于大规模制造的移动电子产品，本发明建议使用金属压延铜箔、铝箔对相关模块进行包裹以构成均热薄膜，目前商品级的通过压延制造的高纯金属箔包括:高纯铜箔(Cu)、高纯铝箔(Al)、高纯金箔(Au)、高纯银箔(Ag)等；这些压延箔的厚度可以低至数微米；(丙2-3-2)，微电子工艺制备金属、半导体或氧化物薄膜，所使用的薄膜制备设备包括:热蒸镀(TD)、电子束蒸镀(EBD)、磁控溅射沉积(MS)、有机金属源化学气相沉积(MOCVD)、等离子增强化学气相沉积(PECVD)、分子束外延(MBE)、原子层沉积(ALD)。例如，本发明建议铝Al或银Ag薄膜可以作为大多数应用场合的均热薄膜，视目标产品结构特征及其产品所属应用领域的不同而定，我们可以相应选择上述相关设备来制备铝Al或银Ag薄膜；(丙2-3-3)，金属熔融冷却膜，对于大规模制造的产品，本发明建议采用的工艺之一:采用定制模式，即要求功能模块的生产商采用表面金属镀层的外壳对相关模块进行封装。
[0274](丙2-4)化学法制备的薄膜。金属颗粒胶浆旋涂、电镀、化学镀、溶胶凝胶、对于大规模制造的产品，本发明建议采用电镀和化学镀。
[0275]5.2.2绝热悬挂系统所依托的主要功能结构
[0276]5.2.2-1 ( 丁)绝热悬挂系统所依托的主要功能结构之一:绝热悬挂结构
[0277]本发明建议的典型的绝热悬挂结构是正四棱锥悬挂、立方悬挂、面心悬挂、面心-棱锥悬挂、面心-三角悬挂和三角悬挂。相关结构的物理原理和详细的实施方法参阅《〈绝热悬挂)
【发明内容】
》的相关描述。物理最优的悬挂是正四棱锥悬挂，不过对于通常的大多数应用产品，立方悬挂或面心悬挂已足以胜任绝热要求，且这两种悬挂是便于装配而适于规模化生产的悬挂结构。例如本发明优选的产品实例之一“适用于超正常低温的便携式绝热二次电池(绝热移动电源)里的绝热悬挂”采用的就是立方悬挂。
[0278]值得指出的是，针对现实应用的大多数产品，其绝热悬挂并非总是需要面对临界条件的困难，也就是说，一般而言，“系统应用需求所定义的绝热指标”往往允许“材料的设计与遴选”可以有较大的调整窗口，也就是说，“绝热悬挂系统所依托的主要功能材料与功能结构”的选择余地就可以很大。例如在二氧化硅气凝胶的参数设计中，需要定义的功能参数主要是热导率和机械强度，这是两个需要兼顾的关联参数，通常热导率越低机械强度也越低。所以原则上只要足够绝热，就不必要追求超级绝热，这样在设计中我们甚至可以选择再牺牲一些绝热指标而补偿机械强度指标，从而使产品结构系统具有承受更大过载的能力。当然，上述材料设计走的是标准技术路线，即通过改变材料的本征物性而满足设计要求；实际应用中，就机械强度而·言，我们可以简单通过增加材料的用量来提高结构系统的负载与抗过载能力。
[0279]图5和图6介绍了几种实用的悬挂方式，如立方悬挂、面心悬挂、面心-棱锥悬挂。这些悬挂通常条件下并非物理意义上的最优绝热悬挂，但毫无疑问，在制造环节，它们的结构使得装配具有灵活的可操作性。例如立方悬挂用了 8条绝热悬挂线，而面心悬挂也用了6条绝热悬挂线。如前所述，空间里悬挂固定一个物体所用悬挂线的最少数目是4(正四棱锥悬挂)，这意味着对于相同的总负载，如果采用立方悬挂，则悬挂线的机械强度为正四棱锥悬挂指标的I / 2就够了 ；同理，面心立方的为2 / 3。
[0280]5.2.2-2 (戊)绝热悬挂系统所依托的主要功能结构之二:热短路结构
[0281]如前所述一【《〈绝热悬挂〉
【发明内容】
》图4-3环境空间里无规物体的正四棱锥悬挂:均热薄膜】，无规物体的最优悬挂路径的热学设计是高度复杂问题，经过基于材料与结构设计优化，我们提出了一种“接近最优的正四棱锥悬挂”的简化模型。即系统结构模块间的热输运模式可以被有效简化为只考虑“需要绝热维持的功能模块”通过“绝热材质的悬挂线”、“封装外壳”而与环境空间的热交换。换句话说，对于“接近最优”的正四棱锥绝热悬挂系统，可以认为决定悬挂点邻域瞬态温度变化的主要因素首先是不等长悬挂线所造成的热交换不平衡，其次是悬挂点邻域的质量密度分布、比表面积及多孔度的分布。但是，进一步分析表明，就是经过这样的简化以后，要想严谨地解析热输运及瞬时热场分布实际也是不可能的，例如，如果物理上严格考虑悬挂线不等长及悬挂点邻域微结构的差异性所带来的复杂性，那么问题发散而近乎无解。为此我们提出一种“热短路结构”的解决方案，这一结构可以彻底屏蔽“不规则物体的微结构差异”所导致的“悬挂点邻域的非均衡热场分布”的不确定性，并且也均衡了悬挂线不等长所造成的热交换当量的差异(等效于对不等长悬挂线进行热的“截长补短”操作)。“热短路结构”工作原理的核心是在不规则物体表面包覆热导率“无限大”的膜层，这一高导热膜层可以在极短的时间内实现整个膜面的热平衡，我们称这一膜层为“均热薄膜”。本发明意向的产品实例中，“热短路结构”是由不规则物体表面所包覆的热导率“无限大”的导热膜层构成的，这一导热膜可以是高导热的石墨粉或C60或纳米碳管或金刚石颗粒(热导率900-2320W / m.K)或Graphene (热导率~5300W / m.K)的胶粘涂层；实际上，对于大多数应用场合，直接在不规则物体表面包覆高导热金属薄膜[Al(热导率 237W / m.K), Au(热导率 318W / m.K)，Cu(热导率 401W / ι?.Κ)，Ag(热导率420W / m-K)]也是足以胜任“均热”需求的制造路线，而且如果采用镜面光滑的金属薄膜还可以适当屏蔽表面的热辐射。如前所述——【《〈绝热悬挂〉【具体实施方式】》乙2|本发明优选的绝热悬挂线实例:“绝热的悬挂线”——高性能无机物与有机聚合物纤维】，在温度低于190°C的场合，本发明意向产品所使用的低热导率的绝热悬挂线基体材质为尼龙线(Nylon热导率0.2W / ι?.Κ，熔点190°C -350 °C )，或聚苯乙烯(热导率0.033W / m*K,Polystyrene,熔点240°C )、或尼龙与聚苯乙烯的混合结构材料(热导率~0.1ff / ηι.Κ,熔点~200°C )，显而易见，和超级导热的Graphene相比，热导率高低相差IO5-1O6倍。总之，通过使用高热导率的“均热薄膜”，不等长悬挂线带来的局域温度分布不均衡被“屏蔽”了，不规则物体的“接近最优”的正四棱锥绝热悬挂问题可以简化为悬挂线等长的“最优”正四棱锥绝热悬挂问题，这一“均热薄膜”的热学结构为开发相关应用产品带来完备意义上的可操作性，同时这也是实现正四棱锥绝热悬挂的最低成本的技术路线。这是因为严格确定无规物体的最优绝热悬挂路径的计算与试制成本巨大，而对于大规模制造的商业产品而言，不可能对每一件产品进行最佳热学结构的确定，所以如不采用高容错性的热短路结构，则产品的一致性和可靠性难以保证。
[0282]5.3【具体实施方式】的优选实例
[0283]5.3.1【具体实施方式】 的优选实例一:“绝热悬挂”用于制作“绝热电池”——适用于超正常低温的便携式绝热二次电池(绝热移动电源)里的绝热悬挂
[0284]低温二次电池的发展现状我们把可以在低温下工作的二次电池称为低温二次电池。当前，锂离子二次电池要求可以胜任(_30°C-+52°C)的工作温区且其非失活存储温区达到(_46°C -+66°C )【*文献46~47】。一般来说，二次电池工作温区取决于电池构成材料(电极、电解液、隔膜、封装材料)的性能，其中对电池低温性能影响最大的是电解液。另外，由材料的本征物理特性所决定，胜任高温工作或胜任低温工作对于二次电池而言往往是难以同时兼顾的要求。对应于不同的工作温区，电池相应的材料与制造规范会有一些实质性区别。言下之意也就是说，按照传统的材料与结构设计规范，在大跨度温区内通用且高效率的二次电池是难以实现的。例如，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-1o°c以下工作，电池性能就会实质性下降，而在过低温如_40°C以下，电池就几乎失活，例如商用锂离子电池_40°C时的放电容量仅为20°C工作时的5%，而其放电功率密度下降为标称的1.25%【*文献49】。而当电池在高温环境下工作时，电池阻抗迅速增加而过热、过载(电极因温升而电阻增加所致的焦耳热过载、锂/锂合金电极表面钝化增厚导致锂离子扩散困难从而导致电极反应速率下降、锂/锂合金电极表面固态电解质保护膜破裂而致局部过热或锂枝晶过度生长等)，这样情况下，电池比容量及放电倍率都迅速下降，而且电池短路与并因短路而爆炸的风险也在增加(因锂枝晶生长加速而增加隔膜被刺穿的几率)。总之，就目前二次电池的材料与结构范式而言，当环境温度在-40°C -50°C及以下时，当前所有种类的二次电池都几乎停止工作，其主要原因之一就是电解液性能急剧下降而近于失效，这时二次电池的各项性能都只有室温下性能的5%以下。而当环境温度低于_50°C以下时，几乎所有的二次电池有机电介液都将失活。
[0285]基于绝热悬挂技术的适用于超正常低温的绝热二次电池依托于“绝热悬挂”技术，我们发明了“绝热电池”【*专利2】，这是一种可以在超正常环境低温下储运、工作的二次电池，其工作温区可以覆盖地表环境温度——(-89.2V -+56.70C )【*文献50】。值得指出的是，暂不讨论40°C~60°C以上环境温度下仍可工作的“高温”电池，就低温电池而言，目前尚无在-50 °C及以下环境温度下仍可正常工作的便携式二次电池或移动电源。
[0286]“绝热悬挂”用于制作适用于超正常低温的绝热二次电池如【图8】所示，“绝热悬挂”可以用于制作“绝热电池”。“绝热电池”的一个典型产品实例是“适用于大跨度温区(-2000C -+1500C )便携式绝热移动电源”，简称“绝热移动电源”。该电池产品将可以在地表任何地区的任何季节的环境下正常工作。制作流程如下: [0287](图8-1)锂离子二次电池电芯。目标产品“绝热移动电源”的主要构成模块一市售“锂离子二次电池电芯”【*专利19~20】:(图8标注a*0001)锂离子二次电池电芯；(图8标注a*0002)绝热电流导线；(图8标注a*0003)保护电路。这种电池广泛用于手机、笔记本电脑、平板电脑、以及各类移动式或离线式电子终端的电源，另外通过有限数量的这类电芯的并联与串联组合可以制作更大功率的便携式备用充电电源(移动电源)、电动车辆及大型离线式设备用动力电池、或基站式大功率储能电站，我们将用这一锂离子二次电池电芯来制作“绝热移动电源”。绝热电流导线(图8标注a*0002)的说明参阅(图8-12)；
[0288](图8-2)顶点-面心捆绑。用绝热线对锂离子二次电池电芯的进行“顶点-面心捆绑”——这一步是为绝热悬挂做准备。所谓“顶点-面心捆绑”(图8标注a*0004)，就是在长方体的8个顶点和6个面心处放置刚性材质小圆环(图8标注a*0005)，然后用尼龙线沿长方体的每个面的对角线对长方体进行捆绑，尼龙线过面心和顶点时要穿环并绕环一到两圈。在绝热指标有较大设计余量的情况下，大规模制造时可以使用聚合物材质网袋来包裹“锂离子二次电池电芯”。另外，电芯扁平长方体8个顶点预置8条“绝热悬挂线”(图8 标注 a*0006, X 8)；
[0289](图8-3)均热薄膜。对“锂离子二次电池电芯”进行“顶点-面心捆绑”以后，可以在电芯表面涂覆导热石墨粉以作为“均热薄膜”(图8标注a*0007)，均热薄膜可以平衡绝热悬挂线不全同所带来的热分布不一致所带来的潜在问题。除石墨颗粒膜之外，还可以使用纯铝箔包覆。详细说明参阅【《〈绝热悬挂〉
【发明内容】
》图4-3环境空间里无规物体的正四棱锥悬挂:均热薄膜】[0290](图8-4)绝热悬挂刚性盒架。铝合金盒架(图8标注a*0008)，即作为绝热悬挂的挂架，又作为“系统绝热结构里最里层的绝热隔离层”的绝热材料“超级绝热二氧化硅气凝胶颗粒”的装配盒，该装配盒5面封闭，一面开口(图8标注a*0009)以便装填绝热填料，而8个顶点预制绝热悬挂锚定圆环(图8标注a*0010，X 8);另如(图8-8)说明所指，绝热悬挂刚性盒架也可以采用其它材质合金或陶瓷材料；
[0291](图8-5)绝热悬挂之立方悬挂。然后再用绝热线把锂离子二次电池沿优化路径悬挂固定于产品内部的铝合金盒架上；这里采用的“优化路径”就是“立方悬挂”路径，立方悬挂共有8条“绝热悬挂线”(图8标注a*0006，X 8)。“立方悬挂”的具体实施参阅《〈绝热悬挂〉
【发明内容】
》[图5正方体或长方体(六面体)的绝热悬挂。图5-1正六面体的立方悬挂];
[0292](图8-6)主绝热层绝热填料:“超高多孔度超级绝热二氧化硅气凝胶颗粒”。如图所示，用于构成主要热隔离层的绝热填料——“超高多孔度超级绝热二氧化硅气凝胶颗粒”，本优选实例采用一大一小两种尺度的颗粒，例如一种典型的大颗粒尺度约为0.2-0.5毫米“表观直径”(刚性近似颗粒在空间里的最大跨度)(图8标注a*0011)，而小颗粒的典型尺度约0.05-0.1毫米表观直径(图8标注a*0012)。“超高多孔度超级绝热”有明确指标，即所采用的气凝胶颗粒的多孔度要大到某一阈值，具有该多孔度阈值的气凝胶的热导率低于相同气压、温度条件下的空气的热导率。通常这一多孔度阈值大致要达到90%及以上【*文献33】。
[0293](图8-7)主绝热层:超高多孔度超级绝热二氧化硅气凝胶颗粒堆积壳体。用(图8-6)所示的“超高多孔度超级绝热二氧化硅气凝胶颗粒”填充铝合金盒架与电池之间的空间以构成电池电芯的主绝热包裹层；
[0294](图8-8)主绝热层:聚合物增韧的“超高多孔度超级绝热二氧化硅气凝胶颗粒”一体化壳体。振实堆积的气凝胶颗粒并补充颗粒，直至铝合金盒架与电池电芯之间的空间被“超高多孔度超级绝热二 氧化硅气凝胶颗粒”填满。如有必要，可以从铝合金盒架(图8标注a*0008)开口端(图8标注a*0009)滴注胶粘剂并通过过毛细作用在所有气凝胶颗粒表面附着均匀胶粘剂薄层(需要控制用量)以胶粘颗粒；或者通过有机物聚合反应来对气凝胶颗粒表面进行修饰，即通过有机物聚合交联以使该气凝胶颗粒堆积体形成完整的电芯外部的超级绝热壳体，该步工艺可以增韧气凝胶绝热层的机械强度并且构成防护屏障(防火、气、水、尘、霉、微生物等)。该步工艺所引入的聚合物材料或胶粘剂材料将降低该颗粒绝热层(包裹在电池电芯外的气凝胶颗粒壳体)的整体绝热指标，当然这种降低应不超出系统绝热指标的冗余设计余量；
[0295](图8-9)绝热悬挂典型实例之一:超级绝热锂离子二次电池电芯。
[0296](图8-9注释01)在完成(图8-7)或/和(图8_8)工艺步骤之后，在电池电芯导线引出端一侧对铝合金盒架实施封盖操作，这样超级绝热二氧化硅气凝胶所构成的主绝热包裹层被完全封装于铝合金盒架中。(图8-9注释2)具体制造时，铝合金盒架的封盖(图8标注a*0013)可以是塑料材质也可以是铝合金材质；另外，固定封盖的方法很多，例如用宽胶带捆缚、金属薄板卷折紧压扣接。(图8-9注释3)当然如需考虑防火，则不能用塑料材质封盖也不能用胶带来紧固，这时要采用耐火温度更高的不锈钢、钨合金等耐高温合金或耐火陶瓷来充当绝热悬挂的盒架与封盖，这种防火要求下其封装盒盖的固定要采用同材质的紧固件再结合同质焊料高温焊接来完成；(图8-9注释4)绝热悬挂合金盒架将有效保护“超级绝热气凝胶颗粒”所构成的主绝热壳体，而且该合金盒架因具备足够的机械强度而使得该绝热悬挂组件具有足以应对高过载摔碰的能力；另一方面，对于二次电池而言，这一盒架还具有预防“碰撞短路所引发的爆炸”以及预防“二次电池电芯爆炸危害”的效能(防爆)；(图8-9注释5)封装盒盖及其构成材料、盒盖封装方式不一而足；(图8-9注释6)封装盒架不论采用何种材料，封盖完成后，对整个盒架外表面进行绝热覆层，具体办法可以直接在表面涂覆绝热的聚合物胶质层；或者使用绝热材料胶带对表面进行粘贴；或者对于合金盒架则可以采用表面的铝阳极氧化处理(其一，如是铝合金盒架则直接进行铝阳极氧化，其二，如是非铝合金盒架则可以在表面先镀铝膜在进行铝阳极氧化以形成多孔氧化铝绝热膜)。至此，我们获得了 “悬架于刚性自支撑耐火合金或陶瓷外壳里的被‘超高多孔度超级绝热二氧化硅气凝胶颗粒壳体’完全包裹的锂离子二次电池电芯”一“防寒耐火防爆超级绝热锂离子二次电池电芯”，简称“超级绝热锂离子二次电池电芯”，这是采用“绝热悬挂”实现“超级绝热”的典型应用产品实例之一； [0297](图8-10)过渡绝热层:绝热性能仍然很好的中低多孔度二氧化硅气凝胶薄板。在对(图8-9)所示的“超级绝热锂离子二次电池电芯”进行其所对应产品“绝热移动电源”的最后封装时，需要用到(图8-10)所示的“过渡绝热层:绝热性能仍然很好的中低多孔度的二氧化硅气凝胶结构薄板”(图8标注a*0014)。图中只画出了左右两块隔板，实际产品中，“超级绝热锂离子二次电池电芯”的六个面都需设置“过渡绝热层”。——“过渡绝热层”构成产品外壳(产品与环境的边界)与绝热悬挂组件之间的结构隔离与支撑部件，其参数要求首先是机械强度，然后是尽可能地绝热。其一，“过渡绝热层”的机械强度要大到能足以支撑绝热悬挂组件重量并能承受常规摔碰下由(图8-9)所示超级绝热锂离子二次电池电芯所造成的惯性过载(数量级:5~10个重力加速度)【*文献34】；其二，“过渡绝热层”绝热性能要达到一定阈值，具体指标要依据产品应用环境的可能温度来针对性设计。——因为相比于“超级绝热二氧化硅气凝胶颗粒壳体”而言，“绝热悬挂线”是联通“二次电池电芯”与外部“绝热悬挂盒架”之间相对热导率较高的热输运通道；某种结构参数下，通过这一热联通路径的热输运甚至是决定该电芯温度变化及电芯外表瞬时温度的主要因素(另一主要因素是电芯工作时的焦耳热)，所以上述“过渡绝热层”必须能在“环境及产品封装外壳(二者等温)”与“绝热悬挂组件”之间构成充分有效的热隔离层；这一 “过渡绝热层”将避免“超级绝热锂离子二次电池电芯”组件与“产品所处的环境空间”之间形成热输运短路通道而实质性降低系统绝热性能——明确地说，如果不使用“过渡绝热层”，则“锂离子二次电池电芯”与“系统所处的环境空间”之间存在一条平均热导率相对较高的“热漏通道”:锂离子二次电池电芯O均热薄膜绝热悬挂线O均热薄膜O绝热悬挂刚性盒架O产品封装外壳G系统所处的环境空间；对于小质量系统，这一“热漏通道”是决定产品绝热性能的主要因素，我们称之为“绝热悬挂的热漏通道”。在基于“绝热悬浮”【*专利3】的“绝热悬浮电池”【*专利4】中我们通过永磁体实现的磁悬浮而近乎彻底地屏蔽这一热漏通道。另参阅【5.4《绝热悬挂》【具体实施方式】:绝热悬挂的六条热漏通道及其解决方案一一基于绝热悬挂的系统与环境的热交换通道(以“绝热电池”为例)】。
[0298](图8-11)过渡绝热层:绝热性能仍然很好的中低多孔度的二氧化硅气凝胶垫带。在机械强度许可的情况下，可以减少(图8-10) “过渡绝热层”薄板(图8标注a*0014)的用量，而改用如(图8-11) “垫带”，这一减量同时等效于使用了热导率的更低的气凝胶材料；比起“多孔度大于90%以上的二氧化硅气凝胶”的制造而言，“中低多孔度的二氧化硅气凝胶”材料的制造相对容易，所制得的材料也不易破碎；
[0299](图8-12)附件:超级绝热电流导线。超级绝热电流导线(图8标注a*0002)构成:铜线芯(图8标注a*0015);绝缘漆或软塑胶管(图8标注a*0016);超级绝热二氧化娃气凝胶颗粒套管(图8标注a*0012);聚四氟乙烯或其它工程塑料套管(图8标注a*0017)，详细说明参阅【*专利6】；
[0300](图8-13)附件:超级绝热垫圈。超级绝热垫圈构成:聚四氟乙烯或其它工程塑料夹板(图8标注a*0018);超级绝热二氧化硅气凝胶颗粒芯板(图8标注a*0012)。详细说明参阅【*专利7】;超级绝热电流导线和超级绝热垫圈的必要性参阅【5.4《绝热悬挂》【具体实施方式】:绝热悬挂的六条热漏通道及其解决方案——基于绝热悬挂的系统与环境的热交换通道(以“绝热电池”为例)】。
[0301]总之，“绝热悬挂”为制造“适用于超正常低温环境(_50°C -200°C及以下)的便携式绝热移动电源”确立了一个现实可行的技术路线经过对系统结构模块的联合参数设计，“绝热悬挂”因提供了足够的机械强度而可以在保证系统所要求的绝热指标下有效减少二氧化硅气凝胶的使用量而减小功能系统的总体积，这一步具有实质性意义，因为这可能是利用“超低热导率的二氧化硅气凝胶”材料在“便携式个人移动产品”中“实现超级绝热功能”的“唯一”充分有效并且是低成本的技术路线，因而也是最可行的商业路线。所以“便携式绝热移动电源”这一创新产品将是解决冬季严寒地区二次电池应用困境的一个根本性解决方案。另外，采用绝热悬挂结构的绝热电池也非常适于宇航飞行器中的电源。当然，适用于超正常低温环境的绝热电池的制造还涉及其它一些关键技术、以及针对于具体应用的修订，例如我们的另一发明 《绝热悬挂电池》中所描述优选实例之一“宇航绝热电池”【*专利2】。最后值得指出的是，经过适当改进，“绝热悬挂”技术可以用于制造“适用于大跨度温区(_200°C及以下_+150°C )便携式绝热移动电源”一该电池将全面适用于任何季节任何地域的地表环境。
[0302]5.3.2【具体实施方式】的优选实例二:“绝热悬挂”用于制作“绝热悬浮二次电池电站”一适用于超低温温区的“绝热悬浮二次电池电站”里的绝热悬挂
[0303]“绝热悬挂”可以用于制作“绝热悬浮二次电池电站”:采用“绝热悬挂”和另一种结构绝热技术——“绝热悬浮”【*专利3】，我们可以对静置式或移动式大型装置进行“绝热封装”;进一步如果结合应用“无线电力输运(无线充电)”技术【*文献35~36】和“无线通讯控制”技术，将可以实现针对于一个功能系统真正意义上的“完全绝热”，其典型实例如【图9】所示的“绝热悬浮电池”(“绝热悬浮电站”)【*专利4】。
[0304]这一优选实例中由于可以利用同磁极永磁体之间的磁排斥力使“需要绝热的二次电池组”(图9标注b*0001)悬浮，也就是说由于磁悬浮力承担了支撑产品功能模块的任务，所以“位于封装外壳和内部功能模块之间”的“系统绝热结构里最外层的绝热隔离层”所使用的绝热材料(通常是多孔度小一些的二氧化硅气凝胶)因不必承担支撑任务而不需要考虑其机械强度，因此“系统绝热结构里最外层的绝热隔离层”的绝热材料可以不加处理地直接使用具有超高多孔度(90%-99%)的也即具有超低热导率的二氧化硅气凝胶颗粒(颗粒名义直径1-5_)——“超级绝热二氧化硅气凝胶颗粒”，且其用量也因不需考虑结构强度而大大降低(有利于降低产品成本)，另一方面，气凝胶颗粒用量大大减低等效与绝热隔离层的实际厚度可以大大减小(有利于产品小型化)。因而与产品实例一“适用于超正常环境低温温区的便携式绝热移动电源”相比，通过使用磁悬浮结构而可以使用“超级绝热二氧化硅气凝胶颗粒”而使“绝热悬浮电站”拥有更强的绝热性能；实际上，“绝热悬挂“结合“绝热悬浮”而构成的绝热结构拥有所有基于“绝热悬挂”原理的结构绝热系统所能达到的最强指标的绝热性能。
[0305]“绝热悬浮”结构解除了绝热悬挂系统对“绝热悬挂线”的诸多性能参数限制。这是因为磁悬浮结构负责支撑系统功能模块的重量，而“超级绝热二氧化硅气凝胶颗粒”实现几乎全部的绝热要求，所以筛选“绝热悬挂线”时就不再需要考虑其热导率而只需考虑其材质的机械强度、耐热性能和生物安全性。在这种情况下，绝热悬挂线可以选用金属弹簧，显然金属弹簧可以克服聚合物悬挂线的高温软化分解(70°C -650°C )或低温脆化破碎(-600C -2000C )的瓶颈。例如假设一种可能的极端情形，即绝热悬挂线或遭遇650°C以上高温瞬间热流冲击，如果是聚合物材质的悬挂线，那么即使是最耐高温的“最纶”(Zylon)也将面临分解(耐热温度650°C )——参阅【乙2 I本发明优选的绝热悬挂线实例:“绝热的悬挂线”——高性能无机物与有机聚合物纤维】;由于大多数聚合物所能耐受的低温脆化破碎温区大致为(_60°C --200°C )，能够使用金属弹簧作为绝热悬挂线，将使得目标产品能够胜任极低温的工作环境。[0306]附:绝热悬浮电池的详细说明参阅文献【*专利4】
[0307]图9绝热悬浮二次电池电站
[0308]图9-1 “立方悬挂”锂硫二次电池矩阵或锂离子二次电池矩阵。在本实例中，“绝热悬挂线”采用的是高强度金属弹簧。
[0309]图9-2 二次电池矩阵的一个实例，图为十个二次电池电芯的并联组件。实际应用时，可根据需要设计二次电池电芯的串联与并联组合；
[0310]图9-3绝热悬浮二次电池电站结构材料、模块、组件分解示意图(正侧视图)。图中标明了重力加速度g的方向(竖直向下)。
[0311]图9-4永磁体组件一种结构实例(俯视图)(b * 0033);绝热悬浮磁体(通过磁力悬浮支撑系统的永磁体)与磁力限位磁体(通过磁力限位绝热悬挂悬架，从而通过限制横向漂移来保持悬浮的稳定性)结构相同，都是由圆柱形永磁体小磁体阵列构成的。
[0312]图9-5永磁体组件一种结构实例(正侧视图)(b*0033_ a ):b*0033_a (上)/b*0033_b (下)-如果磁极a是N,则磁极b就是S ;如果磁极a是S,则磁极b就是N。
[0313]图9-6永磁体组件一种结构实例(正侧视图)(b*0033_ β ):b*0033_b (上)/b*0033_a(下) 如果磁极b是S,则磁极a就是N ;如果磁极b是N,则磁极a就是S。
[0314]图9-7磁力限位磁体(俯视图);通过磁力限位“绝热悬挂悬架”(b*0001，b*0023，b*0029，b*0030，b*0031)，即通过限制绝热悬挂悬架的横向漂移而有助于其在磁力短暂失衡时迅速恢复平衡态。——系统温度变化将会使得磁力短暂失衡，从而引起悬架的振动，该振动也有可能导致悬浮的绝热悬挂悬架的动态重心长时间摆动。
[0315]图9-8 “绝热悬浮磁体”与“磁力限位磁体”(正侧视图);该图是系统处于绝热悬浮状态时的结构示意图。支撑系统悬浮的磁力由安装于基座(b*0038)上的永磁体(b*0033)及位于其正上方的对磁体之间的同磁极间的排斥作用产生。正侧视图指该结构体前试图与后视图对称(相同)，左试图与右试图对称(相同)；故四个侧视图只画出一幅。
[0316]图9-9绝热悬浮电站装配结构示意图；左半部分为系统电子控制单元。该单元的模块与组件除非特别注明均为通用产品或第三方专有技术产品；图中标注如下，而详细来源及制造关系参阅【*专利4】。
[0317]图9 标注 b * 0001 ~b * 0051 如下:
[0318]b*0001.二次电池矩阵；
[0319]b*0002.总线；
[0320]b*0003.遥控紧急关机；
[0321]b*0004.无线通讯天线；
[0322]b*0005.无线控制中心；
[0323]b*0006.电源管理系统-总控；
[0324]b*0007.AC/DC 输入；
[0325]b*0008.DC/AC 输出；
[0326]b*0009.DC/DC 输出；
[0327]b*0010.无线电力传输；
[0328]b*0011.无线电力传输天线；
[0329]b*0012.温度传感；
[0330]b*0013.磁力传感；
[0331]b*0014.磁悬浮传感；
[0332]b*0015.真空传感；
[0333]b*0016.震动传感；
[0334]b*0017.系统模块热能控制；
[0335]b*0018.系统热沉；
[0336]b*0019.状态指示灯；
[0337]b*0020.状态参数屏显；
[0338]b*002L 真空阀门；
[0339]b*0022.手动紧急关机；
[0340]b*0023.超级绝热二氧化硅气凝胶颗粒层(第一壳层:二次电池矩阵外绝热层)；
[0341]b*0024.超级绝热二氧化硅气凝胶颗粒层(第二壳层:系统主支架内壁绝热层)；
[0342]b*0025.超级绝热二氧化硅气凝胶颗粒层(绝热悬浮磁体外绝热层)；
[0343]b*0026.超级绝热二氧化硅气凝胶颗粒层(绝热悬浮磁体基座绝热垫夹层)；
[0344]b*0027.表层增韧二氧化硅气凝胶颗粒层(绝热悬浮磁体基座绝热垫夹层)；
[0345]b*0028.系统封装外壳内壁绝热层；
[0346]b*0029.绝热悬挂吊环；
[0347]b*0030.绝热悬挂弹簧(立方悬挂二次电池矩阵)；
`[0348]b*0031.系统支架一:绝热悬挂悬架兼作二次电池矩阵磁屏蔽壳体；
[0349]b*0032.绝热悬挂弹簧(立方悬挂二次电池矩阵封装体)；
[0350]b*0033.绝热悬浮磁体(通过磁力悬浮支撑系统的永磁体)与磁力限位磁体(通过磁力限位绝热悬挂悬架，从而通过限制横向漂移来保持悬浮的稳定性)；[0351 ] b*0034.磁极a (如果磁极a是N，则磁极b就是S ;如果磁极a是S，则磁极b就是N)；
[0352]b*0035.磁极b (如果磁极b是S,则磁极a就是N ;如果磁极b是N,则磁极a就是S)；
[0353]b*0036.导磁材料盖板；
[0354]b*0037.绝热悬浮磁体与磁力限位磁体安装基座(磁屏蔽材料制作)；
[0355]b*0038.绝热悬浮磁体基座；
[0356]b*0039.绝热悬浮磁体基座安装垫板；
[0357]b*0040.绝热悬浮磁体工作限位槽(磁力悬浮工位)；
[0358]b*0041.悬吊辅助孔(以便系统装配)；
[0359]b*0042.悬吊辅助环(以便系统装配)；
[0360]b*0043.系统支架二:立方悬挂系统支架一，兼作其侧面磁力限位磁铁支架
[0361]b*0044.系统总线外套管(磁屏蔽材料制作)
[0362]b*0045.系统总线外绝热套管(二氧化硅气凝胶覆层，例如超级绝热二氧化硅气凝胶颗粒胶带)
[0363]b*0046.电控系统热管总阀
[0364]b*0047.电控系统热管及散热支架
[0365]b*0048.悬浮系统顶部的绝热纤维软垫(防磁力短暂失衡所造成的轻微震动而造成的沿竖直方向的悬浮漂移)
[0366]b*0049.绝热悬浮电站封装外壳内壁绝热限位软垫(防磁力短暂失衡所造成的轻微震动而造成的沿水平方向的悬浮漂移)
[0367]b*0050.绝热悬浮电站封装外壳
[0368]b*0051.单元永磁体模块的磁屏蔽保护套管(图9-5)
[0369]5.3.3【具体实施方式】的优选实例三:“绝热悬挂”用于制作“温度传感芯片”——基于微纳电子工艺的标准钼电阻温度传感芯片里的绝热悬挂
[0370]图10基于绝热悬挂的温度传感芯片
[0371]图11基于绝热悬挂的温度传感芯片的简要制程
[0372]常规温度测量器件的测量精度一般不高，在中低温段，精度一般为0.1?5°C，而中高温段的精度一般为5?10°C，就是标准钼电阻温度计其测温的实验室条件的最高精度也只有0.0orc左右，这是其一；其二，由于热惯性等因素的影响，瞬态温度测量的误差就更大了。影响温度测量精度的因素有多种，除测温原理及其测温材料或器件组件本身的温度响应稳定性之外，环境热场中器件系统的热输运不稳定、以及器件系统温变惯性(热惯性)是造成测温误差的主要因素。另外，一般情况下，测温器件里测温模块的质量越大，其热惯性也越大；测温模块功能材料的比热容越大，其热惯性也越大；这是影响瞬态测温精度的两个系统误差，原则上，采用厚度极小并且比表面积大的感热薄膜材料将是克服上述两个系统误差的前提条件，之所以说是前提条件，是因为要想实现优良指标的瞬态响应还需对该感热薄膜进行除感热工作面外的绝热封装，有鉴于此，我们基于“绝热悬挂”原理而开发了一类高精度的测温芯片，该测温芯片的绝对测量精度与瞬态测量精度都超过传统结构设计的钼电阻温度传感器。[0373]如(图10)所示，这是通过微电子工艺或纳电子工艺制造一种芯片式“钼电阻温度传感器”，该温度传感器在设计上通过使用“绝热悬挂”、“均热薄膜”、和“超级绝热”来提高灵敏度。该器件的主传感功能结构通过刻蚀SiO2而悬架于衬底上，这里绝热悬挂线是由刻蚀而成的SiO2薄膜悬梁构成；测温工作面需要裸露(Rs，Ra, Rb, Re, Rd)，而其余部分如“悬挂部分与衬底之间的空间”以及“除测温工作面之外的传感器芯片主体结构上表面其余部分”可以用超级绝热二氧化硅气凝胶微米或亚微米颗粒覆盖以实现“温度传感器”与周边结构与环境的“超级绝热”。该温度传感器的测温原理基于标准钼电阻的“电阻-温度”响应(Callendar-Van Dusen equation)以及基于 Van de Pauw 模型的电阻测量。图中(Rs, Ra,Rb，Rc, Rd)均为薄膜型钼电阻(PtlOO)，其中电阻Ra、Rb、Rc, Rd完全等价，该钼电阻温度响应将依据国际温度标准ITS-90进行校准；c*0001~c*0020为测量导线；A1~A4、BI~B4、Cl~C4、D1~D4是测量电阻用的焊接电极，Tl~T12、X1~X4为辅助功能模块的预留电极(参阅【*专利5】)。
[0374]如(图11)所示，基于“绝热悬挂”的“温度传感芯片”的简要制程如下:
[0375]图11-1制作X/石英衬底:制作牺牲层薄膜X，X可以是NaCl膜，或其它可溶解聚合物膜；
[0376]图11-2制作Si02/X/石英衬底:等离子增强化学气相沉积(PECVD) 二氧化硅薄膜；
[0377]图11-3制作钼电阻膜:电子束蒸镀钼电阻膜；或者热蒸发沉积钼电阻膜；钼电阻的“电阻-温度”响应满足“Callendar-Van Dusen equation”:R(T)=R0 (l+aT+bT2+-100cT3+cT4) (-200V < T < OV ) ,R(T) = Rtl (1+aT+bT2) (0°C ≤ T < 850V )，其中R(T)是温度T时的电阻值，Rtl是O°C时的电阻值，Rltltl是100°C时的电阻值，对于α=(R100-R0)/IOOR0 = 0.00385 的钼电阻，系数 a，b，c 分别为:a = 3.9083X 10_3 O Λ b=-5.775 X IO-7oC _2，c = -4.183 X IO-12oC _4 ；
[0378]图11-4制作钼电阻膜退火、筛选:退火改善钼电阻膜材料结晶质量；
[0379]图11-5制作金电极:电子束蒸镀金薄膜电极或热蒸发沉积金电极及测量导线(电阻测量原理基于Van de Pauw模型)；
[0380]图11-6制作绝缘保护膜:等离子增强化学气相沉积(PECVD) 二氧化硅薄膜。电极焊点裸露；
[0381]图11-7制作均热薄膜:导热碳膜或其它导热材质颗粒膜。电极焊点裸露；
[0382]图11-8制作芯片基座:基座；
[0383]图11-9翻面:溶解去除牺牲层薄膜X后整体结构倒置(翻面)，放置于焊接基座上， 电极焊接；
[0384]图11-10镂空刻蚀二氧化硅薄膜以形成立方悬挂；刻蚀同时使得钼电阻测温工作面裸露；
[0385]图11-11制作均热薄膜:用导热碳膜或其它导热材质颗粒膜来作为均热薄膜，该均热薄膜将屏蔽因“绝热悬挂线”(SiO2薄板型悬梁)微结构差异而造成的热传导不一致。钼电阻测温工作面裸露；
[0386]图11-12制作超级绝热薄膜包覆:用超级绝热二氧化硅气凝胶颗粒制作超级绝热薄膜。方法之一如:超声粉碎超级绝热二氧化硅气凝胶颗粒而获得尺寸更小的颗粒；制作该颗粒的均匀的悬浮液(利用乙醇作为颗粒载体)；修饰芯片结构表面使得该表面与乙醇浸润；测温工作区胶体保护性覆盖；滴注颗粒悬浮液然后再旋涂以形成均匀的颗粒填充(刻蚀所形成的绝热悬挂悬梁下的微空腔具有较强的毛细作用)；烘干并固结颗粒膜；去除测温工作区胶体保护层。
[0387]上述基于“绝热悬挂”的“薄膜型钼电阻温度传感芯片”可以单独使用，也可以集成于“系统集成芯片”上而用为芯片工作时的原位检测。例如在芯片不间断加电的加速老化试验中，可以通过温度传感器适时原位监测芯片系统各模块的温度变化而评估其工作状态与其性能退化来评估各子模块的理论寿命，从而为改善芯片设计提供依据。值得指出的是:(1)本实例“温度传感芯片”里的“绝热悬挂线”是通过微电子标准工艺制作出来的SiO2薄板型悬梁(图11-10所示“十”字梁与“田”字梁)，其典型厚度为100纳米~5微米(100nm-5 μ m);而对于具有超高测量精度的芯片，作为“绝热悬挂线”的“Si02薄板型悬梁”的厚度应小于100纳米(20nm~IOOnm)；⑵使用“均热薄膜”和“超级绝热二氧化娃气凝胶颗粒膜”，将可以最大限度地屏蔽模块/结构之间的热流干扰；(3) “绝热悬挂”可以作为一种通用结构而整合于芯片中，从而实现对芯片上功能模块或整个芯片的超级绝热。
[0388]总之，力、热、电、光、磁信号的在线原位检测有助于研发新概念“系统集成芯片”，由于微纳电子芯片微结构的小微尺度及功能单元的膜结构范式，合理的热学结构及高效的绝热设计将决定性地提高“集成于芯片内的这类探测与传感单元”的响应灵敏度与准确度，因而，“绝热悬挂”可以在系统集成芯片的开发应用中有所作为。这一概念性应用实例显示“绝热悬挂”结构与工作原理具有一般意义的可移植性。
[0389]绝热悬挂技术路线的实施具有较大的容错性，主要体现于“热短路结构”中的“均热薄膜”对“不等长绝热悬挂线”所造成的“非均匀热输运效应”的屏蔽。通过应用这一技术原理所定义的“均热薄膜”，按工业化模式大规模生产相关产品成为可能。例如作为各类移动电子终端便携式充电电源的“绝热移动电源(绝热二次电池)”的生产就属此类；另外，值得特别指出的是，当把“绝热悬挂技术”用于制作基于“微纳电子工艺”的集成于“系统集成芯片”上的高灵敏度的“绝热探测与传感模块”时，“均热薄膜”将变得不可或缺！这是因为
(I)“系统集成芯片”及其上的各类元器件模块都是基于高比表面积的薄膜结构，所以表面热辐射是左右器件热分布的主要因素；(2)芯片上元器件结构里多包含亚微米厚度、百十纳米厚度甚至是I~2纳米厚度的薄膜(例如一些MOS型器件里的栅氧化层厚度)，所以系统模块间的热输运对系统元器件材料结构里的多层膜以及膜间界面的微结构尤其敏感，在这一结构与尺度条件下，“绝热悬挂线不等长”所造成的“小量热能的不均匀分布”会造成较大的局域温度变化。换句话说，“均热薄膜”将是确保“绝热探测与传感模块”拥有高灵敏度以至于超高灵敏度的先决条件之一。
[0390]5.4绝热悬挂的六条热漏通道及其解决方案:基于“绝热悬挂”【*专利1，本发明】的系统与环境的热交换通道(以“绝热电池”【*专利2】为例)；
[0391]5.4.1
[0392]绝热电池之锂离子二次电池电芯与环境热交换通道之一:热通01 (等效热导率κ 01)
[0393]P οι <-> 01Z 02 ^ 01Z 03 O 01Z< 04 ^ 01Z os ^ 06 <-> 01Ζ<07 O Ooo
[0394]Ptll锂离子二次电池电芯O[0395]cilLtl2 均热薄膜 O
[0396]01L03绝热悬挂线
[0397]cilLtl4 均热薄膜 O
[0398]cilLtl5绝热悬挂刚性盒架
[0399]cilLtl6过渡绝热层:绝热性能仍然很好的中低多孔度二氧化硅气凝胶薄板G
[0400]cilLtl7广品封装外壳O
[0401]O00系统所处的环境空间。
[0402](5.4.1注I) “热通01”的等效热导率κ 01主要取决于“绝热悬挂线”的热导率，所以在满足机械强度要求的前提下，“°丸3绝热悬挂线”的热导率越低越好。这是本发明【*专利I】超级绝热技术路线的关键措施之一:采用绝热悬挂线的优选路径的悬挂。实际上，在基于“绝热悬挂”的绝热系统里，“绝热悬挂线”是决定整个系统绝热性能的主要因素。一方面，当“绝热悬挂线”材料的机械强度一定时，绝热设计的要点是取热导率相对最低的材料；另一方面，假设“绝热悬挂线”取圆柱近似，并且忽略其径向与环境的热交换，则环境热场中单位时间内沿“绝热悬挂线”轴向所输运的热能AQ与其质量m成正比(AQ =cm Λ T，其中c为“绝热悬挂线”的比热，ΔΤ为绝热悬挂线两端点间的温差)，所以，理论上如果“绝热悬挂线”材料的机械强度“无限大”，则可以选择“直径趋于零”的“绝热悬挂线”，即此条件下设计要点为“绝热悬挂线”越细越好，这一要求等价于“绝热悬挂线”的质量m趋于零，从而使得AQ趋于零。因此，“绝热悬挂线”可以选择使用任何具有超级强度的人造纤维，所谓“超级纤维”指的是具有超高机械强度、并且能够耐受超正常低温、或者能够耐受耐热(高温)的纤维，例如可以 使用“纳米碳管纤维(CNTs fibres) ”或者“最纶纤维(Zylon?，PBO fibres)【* 文献 43】”。
[0403](5.4.1注2)不过过细的悬挂线也存在问题，例如在系统因摔碰而遭受瞬间大的冲击过载时，悬挂线呈张应变的悬挂点处的材料非常容易损坏；另外，对于大规模生产的日用消费品而言，使用“超级纤维”的技术路线成本过高，有鉴于此，我们使用“°丸6过渡绝热层:绝热性能仍然很好的中低多孔度二氧化硅气凝胶薄板”来变相降低对使用“超级纤维”的依赖；“°\6过渡绝热层”有助于有效阻隔“ΡΜ锂离子二次电池电芯”与“0^系统所处的环境空间”之间形成热输运短路通道而实质性降低系统绝热性能；对于小质量系统，这一“热漏通道”是决定产品绝热性能的主要因素。在基于“绝热悬浮”【*专利2】的“绝热悬浮电池”【*专利4】中我们通过永磁体实现的磁悬浮而近乎彻底地屏蔽这一热漏通道；
[0404](5.4.1注3) "01L02均热薄膜”的使用也属于本发明的鲜明特征之一。绝热悬挂技术路线具有较大的容错性，主要体现于“热短路结构”中的“均热薄膜”对“不等长绝热悬挂线”所造成的“非均匀热输运效应”的屏蔽。通过应用这一技术原理所定义的“均热薄膜”，使得按工业化模式大规模生产相关产品成为可能。例如作为各类移动电子终端便携式充电电源的“绝热移动电源(绝热二次电池)”的生产就属此类；当然，值得特别指出的是，当把“绝热悬挂技术”用于制作基于“微纳电子工艺”的集成于“系统集成芯片”上的“绝热探测与传感模块”时【*专利5】，“均热薄膜”将是确保“绝热探测与传感模块”拥有高灵敏度以至于超高灵敏度的不可或缺的先决条件之一。——即在制作高响应精度的集成于芯片里绝热模块时，均热薄膜必须使用。
[0405]5.4.2[0406]绝热电池之锂离子二次电池电芯与环境热交换通道之二:热通02(等效热导率K 02)
[0407]P οι 0.° L 02 ^ 02L 03 分 O2L 04 ^ O2L 05 02L 06 分 O2jL 0708 Oqo
[0408]Ptll锂离子二次电池电芯O
[0409]ci2L02 均热薄膜 O
[0410]02L03主绝热层:超高多孔度超级绝热二氧化硅气凝胶颗粒堆积壳体^
[0411]ci2Ltl4绝热悬挂线O
[0412]ci2L05 均热薄膜 O
[0413]ci2Ltl6绝热悬挂刚性盒架O
[0414]02L07过渡绝热层:绝热性能仍然很好的中低多孔度二氧化硅气凝胶薄板
[0415]q2Lci8产品封装外壳<.>
[0416]O00系统所处的环境空间。
[0417](5.4.2注I) “热通02”的等效热导率κ 02主要取决于“°2Lq3主绝热层:超高多孔度超级绝热二氧化硅气凝胶颗粒堆积壳体”的热导率，的热导率越低越好。这是本发明【*专利I】超级绝热技术路线的核心措施之一:采用”超级绝热的二氧化硅气凝胶颗粒”、或”超级绝热的三氧化二铝气凝胶颗粒”或其它一些金属氧化物或硅酸盐的气凝胶、聚合物/ 二氧化硅复合结构气凝胶的填充层以实现超级绝热。值得指出的是，“超级绝热的二氧化硅气凝胶”都超级易碎，这一机械强度的缺陷使得它难以胜任重力场环境里的自支撑绝热系统。所以“绝热悬挂结构”使得使用“超级绝热的二氧化硅气凝胶”成为可能。
[0418](5.4.2注2) “绝热悬挂”通过对绝热材料、热学结构、力学结构、应用功能的协同设计以实现具有充分机械强度的超级绝热结构。也就是说，“绝热悬挂系统”具有经过设计的机械强度和绝热参数，该系统通过使用典型的“悬挂/固定/支撑”结构，把“绝热”、“支撑”和“悬挂”三个要素功能分别由不同的材料与结构模块来实现:其一，用“机械强度极差但绝热性能极好的绝热材料”即所谓“超级绝热材料”来实现绝热功能；其二，用金属与陶瓷刚性材料与结构来实现系统模块的支撑与固定；其三，作为绝热悬挂的典型结构特征，“需绝热维持的应用产品中的功能模块”是被“满足机械强度与绝热要求”的陶瓷或有机聚合物材质等的“绝热悬挂线”捆绑固定并按“优化路径”悬挂于刚性支撑框架上。其所谓“优化路径”指的是“正四棱锥悬挂”、“接近最优的正四棱锥悬挂”、“立方悬挂”、“面心悬挂”、“面心-棱锥悬挂”、“面心-三角悬挂”等典型悬挂路径。
[0419]5.4.3
[0420]绝热电池之锂离子二次电池电芯与环境热交换通道之四:热通03 (等效热导率
K 04)
[0421 ]P οι <-> 03Z 02 O 03Z 03 O 03Z 04 O 03Z os O 03Z 06 07 <-> Ooo
[0422]Ptll锂离子二次电池电芯O
[0423]ceLci2 均热薄膜 O
[0424]03L03锂离子二次电池电芯电流导线铜芯(轴向)O
[0425]ceLci4内部电流接口:锂离子二次电池电芯电流导线与开关壳体接口(线控接
口 ) O
[0426]03L05内部紧固接口:开关导线与开关壳体紧固接口(线壳接口)O[0427]03L06内部紧固接口:开关壳体与产品封装外壳紧固接口(控板接口)
[0428]cX7产品封装外壳
[0429]O系统所处的环境空间。
[0430]“热通03”的等效热导率Kci3主要取决于M3Lci3内部电流接口:锂离子二次电池电芯电流导线与开关接口(线控接口)”与M3Lci5内部紧固接口:开关导线与开关壳体紧固接口(线壳接口)”以及M3Lci6内部紧固接口:开关壳体与产品封装外壳紧固接口(控板接口)”之间的热交换。抑制这一“热漏”的主要手段除了采用“超级绝热电流导线(图8-12)【*专利6】”以外，还要采用“超级绝热气凝胶颗粒膜垫片、圆形垫圈、护套(图8-13) ”和其它绝热胶粘剂以尽可能地隔绝“内部紧固接口”与“锂离子二次电池电芯电流导线”间的热传导、以及“内部紧固接口”与“产品封装外壳”间的热传导，详细说明参阅【*专利7】。
[0431]5.4.4
[0432]绝热电池之锂离子二次电池电芯与环境热交换通道之五:热通04 (等效热导率
K 04)
[0433]P 01 <-> 04Z 02 O 04L 03 <-> 04Z 04 O 04L 05 <-> 04L 06 <-> 04L 07 O 04Z 08 <-> Ooo
[0434]Ptll锂离子二次电池电芯O
[0435]ci4Ltl2 均热薄膜 ο
[0436]04L03电芯电流导线铜芯(轴向)O
[0437]ci4Ltl4内部电流接口:锂离子二次电池电芯电流导线与开关壳体接口(线板接
口)O
[0438]04L05内部紧固接口:开关导线与开关壳体紧固接口(线板接口 ) O
[0439]04L06内部紧固接口:开关导线与产品封装外壳紧固接口(线板接口 ) G
[0440]tl4Ltl7外部电流接口:产品封装外壳用户端电流接口(线板接口 ) O
[0441]tl4Ltl8外部电流接口:产品封装外壳用户端电流接口与用户电源连接线接口(板线接口)
[0442]tl4Ltl9外部电流接口:用户电源连接线(径向热辐射)O
[0443]O00系统所处的环境空间。
[0444](5.4.4注I) “热通04”的等效热导率κ 04主要取决于“°4L()3电芯电流导线铜芯(轴向)”与M4Lci9外部电流接口:用户电源连接线O连通后，系统通过M4Lci9外部电流接口:用户电源连接线”径向热吸收(或径向热辐射)而产生的热交换；抑制这一“热漏”的主要手段是“°\9外部电流接口:用户电源连接线”采用“超级绝热电流导线(图8-12)”:在导电线外面包裹“超高多孔度超级绝热二氧化硅气凝胶颗粒壳层”【*专利6】；
[0445](5.4.4注2)同时各类紧固接口与产品封装外壳之间的热交换也部分影响“ κ Μ”。可以采用“超级绝热气凝胶颗粒膜垫片、圆形垫圈、护套(图8-13) ”和其它绝热胶粘剂以尽可能地隔绝“内部紧固接口”与“锂离子二次电池电芯电流导线”间的热传导、以及“内部紧固接口”与“产品封装外壳”间的热传导，详细说明参阅【*专利7】。
[0446]5.4.5
[0447]绝热电池之锂离子二次电池电芯与环境热交换通道之三:热通04(等效热导率
Κ 04)
[0448]P οι <-> L 02 <-> O5Z/ 03 O- 04 O5L 05 分 Oqo[0449]tl5Pcil锂离子二次电池电芯O
[0450]05L02均热薄膜O
[0451]tl5Ltl3锂离子二次电池电芯电流导线铜芯(径向)O
[0452]05L04产品封装外壳内部空间(非真空时对流与辐射传热，真空时辐射传热)G
[0453]q5Lci5广品封装外壳
[0454]O00系统所处的环境空间。
[0455](5.4.5注I) “热通05”的等效热导率κ 05主要取决于“°5L()3锂离子二次电池电芯电流导线铜芯(径向)”与“°%4产品封装外壳内部空间”之间的热交换。当产品封装外壳内部空间非真空时，对流与辐射传热为主导；当产品封装外壳内部空间真空时，辐射传热为主导。抑制这一“热漏”的主要手段是采用“超级绝热电流导线(图8-12) ”——即绝热封装M5Lci3锂离子二次电池电芯电流导线”:在导电线外面包裹“超高多孔度超级绝热二氧化硅气凝胶颗粒壳层”【*专利6】；
[0456](5.4.5注2)另外的手段是进行真空封装，真空封装可以抑制气流对流的传热，而在超正常低温下工作时，物质材料的辐射传热弱到可以可以忽略。值得指出的是，超正常低温下工作的真空阀门与产品封装外壳之间的紧固方式需要特别处理。这是因为大多数真空阀门(接口)用的密封油脂所适用的低温下限不超过_50°C，即在该环境温度以下工作时密封油脂会冻结，从而会在封装壳体和真空阀门的温致应变下开裂而漏气，为此我们使用了一种“适于超正常低温温区的自修复真空阀门”【*专利8】来解决这一问题；
[0457](5.4.5注3)同时我们又采用一种基于金属纳米材料和负膨胀系数陶瓷纳米材料的“室温焊接”【*专利9】技术来焊接各类接口(开关、电源接口、真空阀门、状态屏显等)与产品封装外壳的接缝，该焊料在焊接成型后将形成零膨胀系数焊接接口。
[0458]5.4.6
[0459]绝热电池之锂离子二次电池电芯与环境热交换通道之六:热通06 (等效热导率
K 06)
[0460]
【权利要求】
1.本发明《绝热悬挂》公开了ー种基于“结构绝热”原理的“超级绝热”技术，它通过对绝热材料、热学结构、力学结构、应用功能的协同设计以构建具有充分机械强度的“超级绝热结构”。
2.基干“绝热悬桂”的“超级绝热结构”的特征要素包括:(一)“超级绝热材料”(二氧化硅气凝胶或三氧化二铝气凝胶等)；(二)“绝热悬挂线”(芳纶或最纶纤维、二氧化硅悬梁、金属弹簧等)；(三)“绝热悬挂结构”(正四棱锥悬挂、立方悬挂、面心立方悬挂、费马-托里拆利悬挂、斯坦纳悬挂等；(四)“绝热悬挂支架”(表面氧化覆层的金属壳体、聚合物工程塑料)；(五)“热短路结构(均热薄膜)”(高导热石墨颗粒膜或铜箔、银箔所构成的均热薄膜)。
3.基于“绝热悬挂”的“超级绝热结构”具有经过设计的机械强度和绝热參数，该结构通过使用典型的悬桂/支撑/固定结构，把绝热、悬挂和支撑三个要素功能分别由不同的材料及其结构模块来实现:其一，用“超级绝热材料”来实现“超级绝热”功能；其二，需要被绝热的模块被“绝热悬挂线”按“优化路径”悬挂于“刚性支撑框架”上；其三，用刚性材料与结构来实现系统模块的支撑与固定；其四，用“热短路结构”中的“均热薄膜”屏蔽被悬挂物体的微结构差异所导致的悬挂点及其邻域的非均衡热场分布，并且也均衡了悬挂线不等长所造成的热交换当量的差异。
4.基干“绝热悬桂”的“超级绝热结构”g在实现对“被绝热悬挂的目标物本身及其エ作状态”的一种适于应对“周边环境或系统”的“超正常低温或高温”的有效的“绝热维持与保护”;该“绝热维持与保护”的有效性内涵是指通过应用“绝热悬挂”而使得目标物可以安全地在“预设的、需要的或所能接受的时限内”持续并正常地静置或工作于具有“超正常温度”的周边环境或系统中。 *注:就人类活动所使用的物品而言，我们对“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參照，我们约定-50°C以下的环境温度为超正常低温，大于+50° C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參照，我们定义-200°C至-270°C以下的环境温度为超正常低温；其三，约定金属铝熔点+660.37°C至金属铁熔点+1538°C为人居地表环境的超正常高温。
5.“绝热悬挂”所指称的“超级绝热材料”及其赖以所实现的“超级绝热”有明确定义:“绝热悬挂”所用的“超级绝热材料”是指在人居地表环境里呈现为固态的具有超高多孔度的多孔结构材料，该多孔结构材料的热导率随多孔度的增加而降低，当多孔度大到一定阈值时(该阈值通常约为90% )，该多孔结构材料的热导率因低于同温度下的空气热导率而具备了“超级绝热”的能力；也就是说，本发明所指称的“超级绝热”的主要物理指标之ー是在I标准大气压下环境温度27°C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。
6.所有在人居地表环境里呈现为固态的物质都可以构成多孔结构材料，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”。
7.“超级绝热气凝胶”都是具有超高多孔度的，但具有超高多孔度的气凝胶并不一定能“超级绝热”。多数不易被氧化的金属或合金气凝胶不但不能超级绝热，而且其导热性能还相当良好；在ー些场合，这类金属可以用作“均热薄膜”。 *注:例如“金Au气凝胶”的导热性能就比较好，而且当“金气凝胶”满足“多孔度尽可能地高且不至于太高而致其内部结构网络的全域实体连通通道断裂”的条件时，其等效热导率达到极大值，其对应的多孔度阈值大致为75%左右)。
8.在地表大气层的有氧/水汽/酸雾环境里，“超高多孔度的金属气凝胶与合金气凝胶”是难以稳定存在的，这是因为其中绝大多数材料都因具有极大的比表面积而十分容易被氧化或发生碱性或酸性化合等化学反应，而当其完全被氧化或发生其它碱性或酸性化合反应后，“超高多孔度的金属气凝胶与合金气凝胶”将因化学反应而变成多孔度适当降低但仍然较高的“高多孔度的氧化物气凝胶”、“高多孔度的多元复合氧化物气凝胶”、“高多孔度的氢氧化物气凝胶”或“高多孔度的硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐、碳酸盐气凝胶”，而这些经有氧基团化合的高多孔度的气凝胶都是接近于超级绝热的。 *注:例如“铜Cu气凝胶”的热导率比同多孔度的“金Au气凝胶”的热导率还高，但“超高多孔度的铜气凝胶”是具有高比表面积的纳米结构材料，在地表大气层的有氧/水汽/酸雾环境里十分容易被氧化或发生碱性或酸性化合等化学反应，而形成诸如CuO、Cu2O,Cu (OH)2, CuSO4 或 CuCl2 等气凝胶。
9.“绝热悬挂”所优选的“超级绝热气凝胶”的具体实例是“颗粒直径范围约(0.1 u m-5mm)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(SiO2)或三氧化二铝(Al2O3)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。
10.“绝热悬挂”所优选的ー类“多孔二氧化硅(SiO2)气凝胶颗粒膜”的热导率可以低至0.012-0.019瓦/米?开尔文(`W / m ? K)，其对应的结构材料密度为0.170-0.228克/厘米3(g / 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°C )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-瓦/米?开尔文(W / n^K)，该数值甚至低于温度为-100°C空气的热导率0.0158瓦/米?开尔文(W / m ? K)。
11.“绝热悬挂”所用的“超级绝热气凝胶”的典型实例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。
12.除SiO2气凝胶和Al2O3气凝胶之外，其它具有超高多孔度的“超级绝热氧化物气凝胶”也可以用作“绝热悬桂”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、Ni2O3气凝胶、CdO气凝胶、BaO气凝胶、MoO3气凝胶、RuO2气凝胶、PbO气凝胶、Tl2O3气凝胶、HgO气凝胶、As2O3气凝胶、As2O5气凝胶、ZrO2气凝胶、SeO2气凝胶、SeO3气凝胶、SrO凝胶、Nb2O5气凝胶、CuO气凝胶、Cu2O气凝胶、MnO2气凝胶、MnO气凝胶、CaO气凝胶、ZnO气凝胶、TiO2气凝胶、Na2O气凝胶、Sc2O3气凝胶、Y2O3气凝胶、Ta2O5气凝胶、FeO气凝胶、Fe2O3气凝胶、TeO2气凝胶、Bi2O3气凝胶、SnO2气凝胶、GeO2气凝胶；(四)稀有、贵重或放射性材质(La系与Ac系材质):La203气凝胶、Ac2O3气凝胶、Ce2O3气凝胶、CeO2气凝胶、ThO2气凝胶、Pr2O3气凝胶、Pa2O3气凝胶、PaO2气凝胶、PaO气凝胶、Nd2O3气凝胶、UO2气凝胶、Pm2O3气凝胶、NpO2气凝胶、Sm2O3气凝胶、PuO2气凝胶、Eu2O3气凝胶、AmO2气凝胶、Gd2O3气凝胶、Cm2O3气凝胶、Tb2O3气凝胶、Bk2O3气凝胶、Dy2O3气凝胶、Cf2O3气凝胶、Ho2O3气凝胶、Er2O3气凝胶、Tm2O3气凝胶、Yb2O3气凝胶、Lu2O3气凝胶。
13.具有超高多孔度的“超级绝热多元复合氧化物气凝胶”也可以用作“绝热悬桂”所用的“超级绝热材料”，其典型实例包括:“铝镁合金氧化物气凝胶” (AlxMgyOz)，“铁铝合金氧化物气凝胶” (FexAlyOz);硅酸盐系列:“铝硅合金氧化物气凝胶” (AlxSiyOz)、“铝镁硅合金氧化物气凝胶”(AlMgxSiyOz)、或“钙镁硅合金氧化物气凝胶” CaO ? 3Mg0 ? 4Si02 (CaMg3Si4O12)。
14.具有超高多孔度的“超级绝热氢氧化物气凝胶”也可以用作“绝热悬桂”所用的“超级绝热材料”，其典型实例包括:A1 (OH)3气凝胶、Zn(OH)2气凝胶、Mg(OH)2气凝胶、Fe (OH) 3 气凝胶、Ni (OH) 2 气凝胶、Cu (OH) 2 气凝胶、AlxSix (OH) z 气凝胶、AlxNix (OH) z 气凝胶、AlMgxSix (OH) z 气凝胶、CaMgxSix (OH)气凝胶。
15.具有超高多孔度的“超级绝热硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐、碳酸盐气凝胶”也可以用作“绝热悬挂”所用的“超级绝热材料”，其典型实例包括=Al2 (SO4) 3气凝胶、A1P04_5气凝胶(低多孔度的材料通常称为分子筛)、FexAlyPCV5气凝胶。
16.“绝热悬挂”所用的“绝热悬挂线”包括“绝热的悬挂线”和“不绝热的悬挂线”两类，本发明优选的“绝热的悬挂线”实例包括以下五类高性能纤维但并不仅限于这五类纤维材料:(一)直径为微米至纳米尺度的无机物纤维束，例如SiO2微米/纳米线束、Al2O3微米/纳米线束、石棉纤维纺线、玻璃纤维纺线、其它陶瓷纤维纺线；(二)高性能聚合物纤维:天然聚合物纤维、聚苯乙烯纤维、尼龙纤维(Nylon? Dupont)、特氟龙纤维(Teflon ? Dupont)、芳纶纤維、凯芙拉纤维(Kevlar? Dupont)、诺美克丝纤维(Nomex? Dupont)、最纶纤维(Zylon? Toyobo);(三)高性能聚合物纤维混纺线；(四)聚合物与无机物微米/纳米纤维束混纺线；(五)聚合物表面覆层的金属或半导体氧化物微米/纳米纤维束:例如表层包覆聚乙烯或聚苯乙烯或聚苯胺的SiO2微米/纳米线；本发明优选的“不绝热的悬挂线”包括金属弹簧、金属线、纳米碳纤维线(纳米碳管、碳纤维)；以及基于微纳电子エ艺的人工微结构材料。
17.“绝热悬挂”所用的“绝热悬挂结构”即“绝热悬桂”所优选的“绝热悬挂路径”包括“正三角形悬桂“、“正四棱锥悬桂”、“接近最优的正四棱锥悬桂”、“立方悬桂”、“面心悬桂”、“面心-棱锥悬桂”、“面心-三角悬桂”、“费马-托里拆利(Fermat-Torricelli)悬桂”、“斯坦纳(Steiner)悬桂”。
18.“绝热悬挂”所用的“绝热悬挂支架”包括:(一)常用尺度下的表面氧化铝覆层的铝合金壳体；(二)其它表面钝化的金属壳体；(三)陶瓷材料壳体；(四)工程塑料；(五)人工合成材料；(六)基于微纳电子エ艺的通过刻蚀辅助衬底材料或通过其它薄膜沉积エ艺所制备的基于膜结构范式的悬架，该悬架的典型尺度依据相关微纳电子エ艺规范。
19.“绝热悬挂”所用的“热短路结构”中的“均热薄膜”是热导率“无限大”(K的导热膜层，这一高导热膜层可以在极短的时间内(At —0)实现整个膜面的热平衡，它可以彻底屏蔽被悬挂物体的微结构差异所导致的悬挂点及其邻域的非均衡热场分布，并且也均衡了悬挂线不等长所造成的热交换当量的差异，这ー性能使得“绝热悬桂”技术路线具有极强的容错性；而通过应用这ー技术原理所定义的“均热薄膜”，使得按エ业化模式大規模生产基于“绝热悬挂”的相关产品成为可能。
20.“绝热悬挂”及其所用的“热短路结构”中的“均热薄膜”是确保基干“微纳电子エ艺”制造的集成于系统集成芯片上的“绝热探測与传感模块”拥有高灵敏度以至于超高灵敏度的不可或缺的先决条件之一，也就是说，“均热薄膜”是制备能够具有超高响应灵敏度的基干“绝热悬桂”的“超级绝热芯片”的决定性エ艺，例如我们的发明实例“基于绝热悬挂的温度传感芯片”。
21.“绝热悬挂”所用的“热短路结构”中的“均热薄膜”材料的具体实例如:高导热的石墨粉或C60或纳米碳管或金刚石颗粒(热导率900-2320W / m ? K)或Graphene (热导率~5300W / m ? K)的颗粒胶粘膜或颗粒表面烧结膜；实际上，对于大多数应用场合，直接包覆高导热金属铝Al (热导率237W / 111*1()、金411(热导率3181 / m* K)、铜Cu (热导率40Iff / m ? K)或银Ag(热导率420W / m ? K)薄膜也是足以胜任“均热”需求的制造路线。
22.“绝热悬挂”所优选的一类“超级绝热材料”是“具有超高多孔度的超级绝热气凝胶”，这些材料都超级易碎，这ー机械强度的缺陷使得“具有超高多孔度的超级绝热气凝胶”难以胜任重力场环境里的自支撑系统，换句话说，以静置系统为例，这ー缺陷使得难以通过在系统支撑基座面包覆“具有超高多孔度的超级绝热气凝胶颗粒膜”的办法来实现“超级绝热”——因在支撑方向，“具有超高多孔度的超级绝热气凝胶”难以沉重而破碎崩溃而使其“超级绝热”性能失效；而对于移动式物品，则因物品要面临经常性的空间位置变化(旋转)而要求其封装壳体各个方向的机械强度都足以耐受系统重量以及摔碰造成的冲击过载，所以移动式物品对封装壳体及系统内部模块的全方向刚性支撑的强度要求使得直接采用“具有超高多孔度的超级绝热气凝胶颗粒膜”包覆来实现“超级绝热”变得困难(虽然可以不计成本不计结构尺寸而加大气凝胶的使用量来获得足够的支撑强度，但是这个技术路线实际造成相关产品的尺寸大到难以接·受)；而“绝热悬挂”的技术路线通过使用多级绝热结构、并使用刚性“绝热悬挂支架”(表面氧化覆层的金属壳体、聚合物工程塑料)与“具有超高多孔度的超级绝热气凝胶颗粒膜”整体面接触以降低局域方向上的単位面积单位质量气凝胶所承受的冲击过载和承重压强，所以“绝热悬桂”及其典型的“超级绝热结构”是确保在因不得不在极端酷寒或酷热环境中静置或工作而需要超级绝热的“便携式或可移动的小尺度系统或物品”中能有效使用“超级绝热气凝胶材料”而实现“超级绝热”的不可或缺的基础性技术。
23.基干“绝热悬桂”的“超级绝热结构”不仅具有足够机械強度的刚性“绝热悬挂支架”，而且通过以“正四棱锥悬挂/立方悬挂/面心立方悬挂/费马-托里拆利悬挂/斯坦纳悬挂”等为代表的优选路径的典型悬挂结构把系统的“主热漏通道截面”(等效热导率最高的热输运通道的等效面积)减小至数条绝热悬挂线截面面积之和，从而这一典型的装配结构可以在保证系统所要求的绝热指标下有效減少“超级绝热气凝胶“的使用量而减小功能系统的总体积，这ー·结构绝热的技术方案具有实质性创新意义；而且我们认为基干“绝热悬挂”的“超级绝热结构”甚至可能是利用以“超级绝热二氧化硅气凝胶”和“超级绝热三氧化二铝气凝胶”为代表的“超级绝热气凝胶”在因不得不在极端酷寒或酷热环境中静置或工作而需要进行“超级绝热”维持或防护的“便携式或可移动的小尺度系统或物品”中实现“超级绝热”功能的“唯一的”低成本解决方案，例如我们的发明实例“绝热悬挂电池”。
24.以“超级绝热二氧化硅(SiO2)气凝胶”为例，虽然可以采用聚合物复合增韧的办法来弥补改善其机械强度差的不足，但是物理上不言而喻，以相同的多孔度參数为对比条件来比较绝热參数，“聚合物复合增韧的超级绝热二氧化硅气凝胶”的热导率显著高于“超级绝热二氧化硅气凝胶”本征样品的热导率；另外，“聚合物复合增韧”的技术路线也显著增加了制造成本，所以在目前已知的合成条件下判断，“聚合物复合增韧的超级绝热二氧化硅气凝胶”的技术路线对于大規模使用的场合而言是昂贵的。考虑到超级绝热的二氧化硅气凝胶都超级易碎，所以为了增加材料表观强度，应用时可以采用诸如加厚板材、多层不同结构強度的二氧化硅气凝胶交替叠层、表面覆层增韧后再多层叠层等常识性的构型增强手段来满足要求，但是这种解决方案的一个代价就是相关系统的尺度、体积与重量可能会大到不便于使用或得不偿失。
25.可以采用结构增强的手段来提高超级“绝热二氧化硅(SiO2)气凝胶颗粒膜”在膜法线方向上的抗过载能力:采用刚性薄板(聚四氟乙烯薄板)或韧性塑料薄膜来外部塑型由“超级绝热二氧化硅气凝胶颗粒”构成的堆砌体，我们称其为“表面贴膜的超级绝热二氧化硅气凝胶颗粒膜/板/管”，它适宜用来作为(一)特定方向上的超级绝热垫板、垫圈；(二)“绝热悬挂支架”外表面的绝热包覆层和支撑垫板；(三)导线、开关等接ロ的绝热护套等，具体技术路线參阅我们的发明“超级绝热导线、导管”和“超级绝热气凝胶颗粒膜、垫片”。
26.在有现实推广价值的应用产品中，如有必要可以依托“绝热悬挂”进ー步实现高于“超级绝热”的“完全绝热”指标:基干“绝热悬桂”和“绝热悬浮”(我们发明的另ー种结构绝热技术)的“超级绝热结构”，并对功能模块实施真空封装，再结合应用“无线通讯控制”技术和“无线电カ输运”技术，将可以实现针对于ー个功能系统真正意义上的“完全绝热”，例如我们的发明实例“绝热悬浮电池”(ー个代表性大型产品实例为“绝热悬浮锂离子二次电池或锂硫二次电池储能电站”)。
27.本发明详细阐明多类可用的“超级绝热”材料、“绝热悬挂线”材料、“均热薄膜”材料、以及通过例举适用于不同应用领域的三个发明实例“绝热悬挂电池”、“绝热悬浮电池”和“绝热传感芯片”里的“绝热悬挂”及其产品形态，其目的首先是为了展现“绝热悬挂”的典型特征以及“其原理技术描述中所讨论的具体技术实施方式的可操作性”在关联产品制造中的体现；其次通过讨论所例举产品因采用“绝热悬挂”的“超级绝热结构”而所能达到的“超级绝热”指标而意图从侧面明示“绝热悬桂”作为相关概念性产品奠基性技术的之所以不可或缺与不可替代的价值所在，所以我们认为具有典型的材料、结构与功能特征的“绝热悬桂”是实现“超级绝热”的ー个普适技术，本发明以明确定义的具体产品实例来描述绝热悬挂的【具体实施方式】并不意味着绝热悬挂技术及其所定义的基于绝热悬挂的超级绝热结构仅适用于这些所例举的产品。
28.“绝热悬挂”所指的因不得不在极端酷寒或酷热环境中静置或工作而需要进行“超级绝热”维持或防护的“便携式或可移动的小尺度系统或物品”首先是指人类日常使用的“所有在生活/办公/生产/防护/监控/操作等活动中所使用的各类电子电器/电气设备/光电设备/以及所有使用了电子电器模块与组件的系统”;可以加以“绝热悬挂”改造而使其具有“超级绝热”性能的“便携式或可移动的小尺度系统或物品”的典型代表包括:(一)手表、时钟、固定电话机、手机、各类照明灯具及其驱动或变压器、各类一次电池与二次电池、各类二次电池及移动电源充电器、便携式电脑、平板电脑、台式电脑、服务器、照相机、电视、收音机、摄像机、监控相机、卫星导航仪、传感器、探測器、交流电源、变压器、发动机、发电机等；(二)电动车、汽车、轮船、飞机、航空航天飞行器、卫星、宇宙深空飞行器等装备内部模组；(三)大型发电站等各类大型エ业装备、设备或其内部模组。
29.“绝热悬挂”所指的因不得不在极端酷寒或酷热环境中静置或工作而需要进行“超级绝热”维持或防护的“便携式或可移动的小尺度系统或物品”还包括各类非电子产品如:仓储器物(生物制品、药品、原料、食物、油、气、及其它危险化学品储罐)、超级防护保险柜(用以保护重大价值艺术品、档案、资料等，需要防火、防爆、防低温、防水、防潮、防霉变、防气、防震等，其中“超级防火/防爆/防低温”可以用“绝热悬挂”和“绝热悬浮”来实现)、输油/气管道。
30.“绝热悬挂”是ー种可用干“绝热封装/包装”的集成解决方案，其所具有的通用性绝热结构及其所具备的超级绝热能力已经使其超越一般封装技术范畴而成就ー种具有重大应用价值的奠基性技木，它可以作为热能工程技术与封装技术的基础性范式而被用来设计具备超级绝热性能而 能胜任超正常低温或高温下工作的各类新概念产品。
【文档编号】F16L59/02GK103591411SQ201310410309
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年9月11日 优先权日:2013年9月11日
【发明者】濮琳, 施毅, 张 荣, 郑有炓 申请人:苏州源正热伏有限公司