1200度で焼き上げた後でも、手で直接持つことができます！これは何の遺物ですか？

お湯を沸かすとき、こんな疑問を抱いたことはありませんか。ガラスのコップでお湯を沸かすとなぜこんなに熱いのに、魔法瓶のコップだと熱くならずにお湯を保温できるのでしょうか。

それだけでなく、1200度に加熱した後、手で直接持つことができる魔法の素材、断熱タイルもあります。なぜこれらのアイテムはこんなにも違うのでしょうか?

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01. ガラスのコップは熱いのに、魔法瓶のコップは熱いのはなぜですか?

ガラスは熱伝導率が高いので熱いです。ガラスの微細構造は比較的緻密です。シリコン-酸素四面体などの内部構造単位は結晶ほど規則的に配列されていないものの、連続したネットワーク構造を形成することができ、このネットワーク構造に沿って熱が素早く伝達されます。そのため、熱いお湯がカップに触れると、熱はすぐにカップの壁を通して伝導し、カップに触れたときに非常に熱いと感じることになります。

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魔法瓶カップは、独特の構造設計と素材の選択により、熱すぎず、冷たすぎず、保温性を保ちます。

魔法瓶カップは主に内側のライナー、外側のシェル、そして中間の真空層で構成されています。真ん中の真空断熱層が魔法瓶カップを熱くならず温かい状態に保つ鍵です。真空とは、物質粒子（分子、原子など）が存在しない空間状態です。物質粒子が存在しないため、熱伝導によって真空層内で熱を伝達することはできません。

熱放射は、媒体を必要とせず、電磁波の形で伝達できる別の熱伝達方法です。魔法瓶の内側のライナーは通常、ステンレス鋼などの金属材料で作られており、外側のシェルも一般的に金属で作られています。内側のライナーと外側のシェルの表面には、コーティングまたはコーティングが施されます。この特殊な素材表面処理により、熱放射の伝達がさらに低減されるため、魔法瓶の外殻に触れても熱さを感じません[1]。

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02.「断熱タイル」は1200度で焼き上げた後も手で直接持てる理由は？

断熱タイルとは、セラミックや繊維などの耐高温材料で作られたパネルで、通常は特殊なセラミック材料や複合材料を使用して熱伝達を遮断するために使用されます。たとえば、セラミック マトリックス複合材では、セラミックをマトリックスとして使用し、それにいくつかの強化相を追加します。これらの強化相は、炭素繊維などの繊維である可能性があります。セラミック自体は、一定の耐高温性と断熱性を備えています。炭素繊維を加えることで、材料の性能をさらに向上させることができます。炭素繊維は強度が高く、密度が低く、熱伝導性に優れています。セラミックスと組み合わせると、セラミックス内の熱伝導をある程度防ぐことができる[2]。

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熱伝導の観点から見ると、断熱タイルにはセラミックマトリックスと強化相の間に界面があります。このインターフェースは、熱伝播のフォノン（固体内の熱伝播の量子化された形式）を散乱させ、熱が材料内部に伝導される際に継続的に散乱させ、それによって材料の熱伝導率を低下させます。同時に、材料の複雑な微細構造により、その中の熱伝播経路は曲がりくねっており、通常の材料ほど直接的ではなく、これも熱伝達効率を低下させます。

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熱放射の観点から、断熱タイルの表面は、低放射率コーティングを施すなど、特別な処理が施されることがあります。このコーティングは熱放射のほとんどを反射し、断熱タイル自体に吸収される熱を減らすことができます。さらに、断熱タイル内部の材料構造も熱放射に対して一定の吸収・散乱効果を持ち、熱放射による熱伝達をさらに低減します[3-4]。

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03. 「断熱タイル」の用途は何ですか？

断熱タイルはその魔法のような断熱特性により、多くの分野でかけがえのない役割を果たしています。例えば、航空宇宙分野では、宇宙船が地球の大気圏に復帰する際、高速摩擦により、宇宙船の表面は非常に高い温度（最大 1650°C 以上）になります。宇宙船表面の断熱タイルは、外部の高温を宇宙船内部から遮断し、内部温度が適切な範囲内に保たれるようにすることで、宇宙船内の機器や装置、宇宙飛行士の安全を守ります。

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冶金炉、ガラス溶解炉などの一部の高温産業設備では、炉壁の断熱に断熱タイルが使用されることがあります。炉壁に断熱タイルを設置することで、熱損失が低減し、燃料消費量が削減され、エネルギー利用効率が向上します。同時に、断熱タイルは作業者や周囲の設備への高温輻射の影響を軽減し、作業環境を改善することもできます。

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断熱タイルは、自動車のエンジンなどの高温部品の周囲にも使用されます。車のエンジンは作動中に大量の熱を発生します。この熱を効果的に制御できないと、エンジンの性能と寿命に影響します。断熱タイルは、エンジンから発生する熱を車の他の部分から隔離することができ、エンジンの熱効率を向上させるだけでなく、車のコックピットへの熱の伝達を防ぎ、運転の快適性を向上させます。

科学技術の継続的な発展により、断熱タイルの性能は向上し続け、その応用分野は拡大し続けます。

参考文献

[1] 宋世奇.魔法瓶カップおよびその製造方法：CN201010545440.7[P]。 2011-06-22.

[2] Wang Kangtai、Feng Jian、Jiang Yonggang、他。セラミックファイバー硬質断熱タイルの研究の進歩[J]。マテリアルレビュー、2011、25(23):35-39。

[3] Lan Zhidan、Ren Weimin、An Nan 他。セラミックファイバー断熱タイルとその高放射率コーティングの研究の進歩[J]。中国陶磁器学会誌、2023年、42(12):4465-4474。

[4] Li Yizhen、Zhu Shizhen、Wang Hui、他。炭素系セラミック断熱タイルの表面への高放出耐アブレーション性および耐酸化性コーティングの製造と特性[J]。レアメタル材料とエンジニアリング、2020年、49(2):533-539。

著者: 徐 燕、復旦大学材料科学博士課程学生

企画・編集：ディン・ドン

謝辞：蘇州理工大学材料科学工学部の馬如光教授が本論文の科学的指導に協力しました。

このプロジェクトは、上海市科学技術委員会の科学普及プロジェクト（プロジェクト番号：24DZ2304000）によって支援されました。