没有。 40 你为什么不被烧伤？为什么即使在300摄氏度以上的高温下也不能徒手触摸砖块，其制造方法70年来首次进化

没有。第40章 你为什么不被烧伤！？之所以能在300℃以上的高温下徒手触摸砖块，其制造方法70年来首次进化

发布于 2023 年 3 月 21 日
Bluebacks 编辑部 Takao Nakakawa 的采访和文字

当您听到“砖”这个词时，您会想到什么？

许多人可能会想象像东京车站这样的红棕色建筑，或者看起来像烤水壶的东西。当然，它也是一块砖。它是一种耐火且强度足以支撑建筑物的陶器。

有人正在研究这种普通砖作为尖端绝缘材料。隔热层和砖！？你到底是什么意思……？

根据这些信息，探险队这次前往以濑户烧、常滑烧等陶器闻名的爱知县。参观位于名古屋的国立产业技术综合研究所中部中心，多元材料研究部我们采访了陶瓷结构控制小组的研究组组长福岛学。

能量损失的同义词

陶瓷小镇的砖块研究那到底是什么？

砖块自美索不达米亚文明以来就被用作建筑材料，并因其耐火性而在明治时期后在日本流行。我不知道砖块是绝缘材料。

“用于制造工业产品的炉子中使用砖块，例如钢铁工业和水泥工业中的炉子，以防止热能逸出。垃圾焚烧炉也是如此。但是，98％至99％的热能被浪费了。”（福岛学）

什么！有那么浪费吗？

“通过在熔炉中烧制水泥和玻璃等产品来生产产品的行业被归类为‘陶瓷和粘土工业’，但该领域生产的产品仅占所有制造业的价值的 3% 左右。然而，该过程所使用的能源却占 7%。

同时，我们正在丢弃热能和二氧化碳 (CO₂) 也会被发出。现实是我们面临一个大问题，因为燃料成本还包括被浪费的热能。”

为什么垃圾焚烧炉附近有一个温水池

利用废热的温水池常常建在垃圾焚烧炉附近，是因为有大量的热能被浪费了。部分数量被重复使用的理解是否正确？

没错。虽然我们加热炉子是为了燃烧垃圾，但实际上利用热能加热的是炉子内部放置的保温材料。这些热量被重新利用来加热热水池。如果原来的隔热材料阻挡了热量，那么炉子中使用的热能就得到了有效的利用。换句话说，燃料成本降低，二氧化碳₂的排放量可以相应减少。''

高效隔热的关键是什么？

“空气。如何让空气进入砖块”

什么？是空气吗！？

羽绒服为什么保暖

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我明白了。重要的是在炉子上穿一件羽绒服，以防止热量逸出。

“没错。您需要的只是耐热性和强度，以防止砖块倒塌。换句话说，砖块中可以插入多少个气孔？这决定了隔热砖的性能。我们制造的陶瓷砖在实验室水平上具有 98% 的隔热率。”

即使加热到300℃也能握在手中

据说，面包的隔热率高达 98%，即使从下面加热也不会烧焦。这是耐热砖吗？当我带着一种奇怪的感觉盯着它时，福岛先生给我看了一张照片。

“这是一块放在加热到300摄氏度的铁板上加热了三个小时的砖。用热像仪拍摄时，市售的砖（上图）是黄色的，但显影后的砖（下图）是蓝色的，并且是在室温下。我鼓起勇气把它捡起来，并且能够握住它而不会被烧伤（笑）。”

先生福岛，你真是太鲁莽了。

“实际上，这是我从 NASA 耐热瓷砖工厂的演示中复制的（笑）。YouTube上发布的视频时，我看到他徒手抬起航天飞机外壁的烤瓷砖。瓷砖也像我们的砖一样耐热，因此它们的导热率极低。一出窑就凉了，可以用手触摸。”

航天飞机的外壁由于进入地球时受到的摩擦热而变得非常热。为了保护船舶和船上人员免受高温影响，船上各处都安装了耐热瓦。唔。我明白了，现在我明白了。

砖块内部90%是空气！？

但是如何让空气进入砖块中呢？

“我们做了很多小孔。基本上，与空气的导热系数相比，固体铝的导热系数比金属铝高约10,000倍。因此，需要尽可能地减少固体部分并增加空气的体积。图像分析表明，我们的隔热砖是由90%的空气和剩余10%的陶瓷制成的。”

砖块的原材料含量只有10%，如何才能保持其强度？

“特殊的制造方法是关键”

特殊的制造方法看起来棒极了。

线索就在高野豆腐里！

“这也是AIST的专利，但它创造了高野豆腐形状的陶瓷（笑）”

高野豆腐？这是特殊的制作方法吗？

“准确地说，这是一种称为‘凝胶冷冻法’的制造方法。根据研究论文，可以制造出世界上空气含量超过 90% 的陶瓷砖中最坚固的砖。”

利用冰晶的独特性质

高野豆腐是隐喻某种事物吗？或者！？

``高野豆腐和志米豆腐是在寒冷的冬日将豆腐冷冻在室外，第二天早上在阳光下晒干而制成的，内部有许多气孔。“凝胶冷冻法”包括将凝胶状水和陶瓷粉末混合，冷冻，像冷冻干燥一样干燥以除去水分，最后烘烤使其硬化''

真的就像高野豆腐一样！

没错。当原料颗粒放入凝胶中并冷冻时，冰和陶瓷颗粒分离并结晶，就像寒冷天的霜柱一样。这是由于冰晶的独特性质。

如下图所示，陶瓷颗粒移动并冻结以包围冰柱。在一个易于理解的实验中，当你冷冻一杯茶时，茶会分离成较浓的部分和较淡的部分并冻结。这是因为冰具有纯净和聚集的特性而发生的现象。”

前往北海道寻找解决方案

什么情况下需要凝胶？

“我尝试只使用水和陶瓷粉末，但是当它结冰时，冰会自由生长。就像雪花一样，冰从一根一根的柱子上分出一个又一个，结晶并变大。然后，当冰融化时，会留下大洞。

所需的冰晶形状为蜂窝状。为了防止它自由生长，我们使用介于液体和固体之间的凝胶状材料。可以说，最好将其冷冻在类似于琼脂果冻的状态，这样冰晶就不会自由生长。如果均匀形成的冰蒸发，就会在那里形成均匀的孔。”

通过这些努力，他们能够制造出一块带有许多小孔的砖块，但福岛先生仍然担心冰上不规则的孔洞。这是因为“不规则孔”是与砖的强度相关的重要问题。

``蜂窝结构对垂直推力的抵抗力极强。在保持砖块强度的同时增加气孔是一个矛盾的想法，但为了同时实现强度和低导热系数，我们使用了尽可能低导热系数的陶瓷原材料。

然而，如果原料的导热系数低于冰，则不规则的冰生长是不可避免的，有时冰会生长得过大。这会导致不规则的孔。”

福岛先生因难以找到解决方案而感到沮丧，他转向各个研究领域来寻找解决方案。在这次搜索过程中，他发现了 AIST 北海道中心正在进行的抗冻蛋白研究。

什么是抗冻蛋白？

为什么南大洋的鱼不会结冰

最初，在20世纪60年代，美国研究人员想知道为什么生活在北极和南极的鱼类能够在不结冰的情况下生存，并发现极地鱼类的血液中含有血浆，这是一种不易结冰的蛋白质。

冰通过拉伸六方晶体的侧面而变得更大，就像雪花一样。抗冻蛋白粘附在晶体的侧面，起到防止冰生长的作用。

这就是为什么含有抗冻蛋白的极地鱼类能够通过降低冰点而不冻结血液而在温度低至-2至3摄氏度的寒冷海洋中生存。

每克售价 130 万日元的“超”奢侈品

问题是这种抗冻蛋白只能从极地鱼的血液中纯化。据说这是一种“奢侈产品”，每克价格超过130万日元。

为了低成本纯化这种蛋白质，北海道中心的团队发现北海道的植物和昆虫也含有抗冻蛋白成分，并通过与食品制造商联合研究，开发了一种低成本生产抗冻蛋白的技术。

当福岛先生联系负责研究人员时，他受到了欢迎并说道：“我一直以为抗冻蛋白有一天会被用于其他难以想象的领域。”在生物领域开发的技术正在被应用于陶瓷材料领域。对于一个研究人员来说，这一定是最有成就感的时刻。

``AIST 拥有广泛的研究领域，因此只要探索该设施就会带来很多可能性。只需在原料中添加025%的这种防冻蛋白粉，冰的尺寸就变得更小、更均匀。不规则膨胀的冰块消失了，尺寸也从三分之一缩小到了十分之一。''

似乎没有必要在实际产品层面追求这么远，但生物领域的这项研究对于得出研究层面的绝缘数据很有用。

震后的节电措施是一个转折点

一家合作伙伴公司目前正在建设一家生产这种隔热砖的工厂。这些砖被称为“普通砖”，长230毫米，宽114毫米，宽65毫米。由于冷冻、干燥、烘烤等特殊的制造方法，传统砖厂无法生产，这大概就是价格高的原因。

但是，如果将其用于钢铁行业或焚烧炉，则之前99%被浪费的热能将得到极大改善。二氧化碳₂，从而降低燃料成本。这对于工业来说也是个好消息，因为它可以节省钢铁和水泥厂浪费的约 99% 的热能。

``我们于 2006 年左右开始开发“多孔材料”技术，该技术可在陶瓷中产生小气泡。1999 年，时任知事石原慎太郎在塑料瓶中摇晃烟灰，并宣布他将淘汰柴油发动机。因此，我们正在考虑使用多孔材料来制造过滤器，以吸收NOx（氮氧化物）等有害物质。我很难找到使用它的方法，但下一次我认为我可以应用这项技术是为了在 2011 年东日本大地震后帮助节省电力。”

全国大型设施的能耗已经降低，许多研究人员已将节能作为一个紧迫的问题来解决。福岛说，当时他试图“横向扩展他的研究”，看看多孔材料是否可以用作绝缘材料。他们将重点转向提高隔热性能和降低能耗。

70 年来技术首次发展

``实际上，当今市场上用于制砖的技术与 70 年前相比并没有太大变化。适合制砖的好土经过揉捏、干燥、烘烤硬化。事实上，在有良好土壤的地方，砖块和陶瓷的制作方法已经有 1000 多年了。

即使在砖的制造方法中，也有在内部打孔以用作隔热体的想法。例如，可以将锯末或有机亚克力球放入原料中烘烤。这会在内部产生孔，从而增加隔热效果。然而，在烘烤阶段燃烧木屑等的过程中，CO₂在这种情况下，尽管我们试图通过隔热来减少二氧化碳气体，但在制造过程中还是会释放二氧化碳气体。

那么，科罗拉多州₂二氧化碳₂的减少，还需要考虑制造过程中的排放。''

我想知道，我们的祖先，最先用粘土烧制砖块，当他们看到如此先进的砖块时，会是什么样子。

什么是“陶瓷”

``他们将“恰到好处的粘土”与水揉捏，成型，然后烘烤。好的粘土是天然粘土。从化学角度来说，它是含有二氧化硅和氧化铝的粘土。他们加水，成型，烘烤，用来制作砖块和陶瓷。

土壤的性质根据位置的不同而变化。爱知县自古就有肥沃的土壤，因此孕育了濑户烧、常滑烧等陶器。土壤中所含的金属经过烘烤被氧化，成为极耐热的氧化物。 “陶瓷”是氧化金属。”

原来如此，我不是故意问的，因为这个词我听着有点耳熟，但这就是“陶瓷”的意思。制砖技术与现代化学工业密切相关。

“是的。技术不会在某个地方过时；而是有人为了不同的目的而复兴它。”

确实如此。耐热砖在现代重生，带来隔热新气息，CO₂这可能是在需要减少能源消耗、消除能源损失的时候应运而生的一项技术。今天听了您的演讲，我意识到即使是看似已经完成的成熟技术，也总有改进和进步的空间。

瞄准看起来像空气的陶瓷

最后，福岛先生，您未来的目标是什么？

“我想制造出与空气相媲美的低导热率陶瓷。我正在考虑如何在保持强度的同时增加气孔。”

它很自然，就像空气一样。如果这种高性能绝缘材料得到普及，CO₂我相信削减将开始变得现实。