制冷与低温工程的研究

引言：在超低温环境的刺激下，为了应对环境温度变化的需求，超低温形态下材料的形状和性能也会产生重大变化，从而更加适应周围环境。因此，本文围绕制冷与低温工程进行概念上的阐述，并讨论与分析当前制冷与低温工程及低温材料发展的现状，以期对读者带来裨益。

一、制冷与低温工程概述

制冷与低温工程的研究是一项工程研究学科，通常而言是指周围环境在超低温状态下开展针对具体材料的科学实验和研究，通常所指的低温是温度小于120K的一个温度范围，而这个范围之间的温度还可以细分为两个相应的温度级别如低温的范围是0.3K到120K，而极低温的范围则是0.3K及以下。作为一项常识，我们都知道在低温的影响（包含极低温）作用下材料的性能会发生神奇的变化比如说气体可以直接液化甚至固化，生物细胞活性可以代谢变慢甚至停止，从而起到延长生物寿命的作用，而导体的电阻在低温环境的影响下电阻值可以消失进而实现超导体的功效。故此，制冷与低温工程技术一经发现，便立刻在石油化工、机械制造、食品加工、生物学及航空航天等多个领域内得到了快速发展并取得了突破，不管是制冷与低温工程设备系统的研发，亦或是超低温材料的科研应用都显著地有助于这些对应学科领域进一步发展和进步，也显著地提高了人们生产生活的质量和档次，特别是在航空航天与生命科学领域中的应用，极大地提高了人类战胜重大疾病和探索外太空的能力。

谈到低温材料，通常是说在低温或者极低温状态下，通过材料特性的改变形成新的材料或者是基于化工化学的技术进而重新创造的合成材料，这些材料以优越的性能和质量，更加符合和满足了特定工程学的工程需求。常见的相关低温材料通常分为固态和液态两类，其中固态的低温材料有聚乙烯、聚对二甲苯、聚四氟乙烯、9%Ni 钢、Ni36 因瓦合金以及5系的铝合金等固体材料。而液态的低温材料通常是指低温环境下不导电的液体，但是受到液体低温材料存放的技术制约，液体低温材料的应用范围远远达不到固态材料那么广泛。关于低温材料的具体研究现状，其中超导体和低温绝缘材料的出现并快速发展显著地加速了航空航天技术的发展，并且这两类低温材料的发展，是一个互相促进互相协调发展的过程，处于低温状态下工作的超导体材料，由于其导电性能高效，人们也开始关注低温绝缘材料的研发和进步。超导体材料通过利用低温环境下材料中的电阻值突然消失从而极大提升电流导通的效率，解决了普通导体材料在传输电能过程中不可避免的能量损耗，尤其是应用于高精尖的电力工程，效果更加明显。低温绝缘材料则需要满足在低温状态下，材料具有极强的韧性，进而可以胜任在机械强度较高以及加工状态下的需求，尽可能维持完整的性能，因此绝缘材料的研究为开展超导体材料带电作业提供了必要的安全保障。

二、制冷与低温工程的研究进展

（一）低温材料在LNG低温运输船中的应用

通过分析国内外LNG低温运输船的构造及其总体设计要求，发现其使用的低温材料通常是9%Ni钢材料、5系铝合金材料及Ni36因瓦合金材料等。其中9%Ni钢是在上个世纪五十年代首先由美国研发而成并大规模投入商用领域的，到了六十年代末，日本对这项低温工程技术和相关的材料进行了优化和改进，使其在LNG 低温运输上实现了更大的作用，性能更加良好。9%Ni钢材料是一种富含Ni的低碳调质钢材料，经科学实验，其在零下196摄氏温度时依然可以维持较高的强度和韧性，故而在大型国际LNG低温储存船上应用广泛。

其次常用的低温材料是Ni36因瓦合金，这种合金是在1986年由法国的物理学家发现的，该合金的结构是包含36%Ni的面心立方体，是铁镍合金的一种材料，性能非常优越，考虑到该材料极低的热膨胀物理性能，使得其在温度骤然变化时材料的基本尺寸和规格仍然可以保持良好而不至于产生大的形变。而且实验室已证明即使在零下273摄氏温度环境下，Ni-Fe因瓦合金依然可以维护良好且稳定的奥氏体结构，故而这种合金材料的发现和应用进一步提升了低温运输任务的安全系数。

最后说到铝合金材料的低温性能，相信已被社会广泛认可了。铝合金是基于铝的面心立方体结构并与其他金属材料结合而成的，这种材料加强了铝在低温环境下的力学性能，使得铝合金的低温脆性消失了，而其中的5系铝合金更是佼佼者，成为了制作LNG低温运输船储罐的主要材料之一，通常应用于制作罐顶。

（二）有机高分子材料及复合材料在制冷与低温技术中的应用

有着“塑料王”之称的聚四氟乙烯，经过实验室在液氦的低温实验中证实，该材料的表现优秀，性能优越。在液氮低温环境下的尼龙材料表现出了超低的导热率性能，因而其在要求低温隔热状态下制造部件的使用范围和程度十分广泛，正是由于有机高分子的材料在低温环境下展现出的良好物理性能及化学性能，才使得这些材料被大规模商用。此外，需要强调的一点，一些有机高分子复合材料在低温绝缘的性能上也表现突出，因此，可以为在低温环境下实施带电工程作业提供必要的安全保障。

（三）低温超导体在制冷与低温技术中的应用

部分金属导体的材料，由于其本身分子结构的特点，使其在低温环境下电阻可以降到从而可以变成超导体，常见的金属导体材料如钛、镍、钒等材料就可以实现在极低温度环境下，使通过电流时导体的电阻会变成零，减少热损耗，而这种现象在常见的金属导体中，因为电阻值的存在使得电能的损耗无法避免，而超导体金属材料的出现可以完美地解决热损耗的问题，从而极大地提升电力能源的利用效率，让资源更加合理地配置。

总结：综上所述，随着人类社会科学技术的不断进步，人类探索太空和生命的欲望也愈加强烈，而制冷与低温工程技术的出现并不断发展，为人类开辟了新的探索思路，也越来越发挥着积极的作用。但是也要清楚的看到当前低温材料的性能仍然不足，还必须要不断探索新技术，研发新设备，从而可以让低温技术在生命科学、航空航天科技及其他关键领域得到最大限度地发挥。