SiO_2纳米孔隔热材料制备与热导率计算

以SiO_2气凝胶纳米颗粒、石英纤维和遮光剂为原料,制备了SiO_2纳米孔隔热材料.采用扫描电镜和氮气吸脱附法表征了SiO_2纳米孔隔热材料微观结构,采用瞬态平面热源法测试了材料在25～800℃, 10～10~5 Pa范围内的热导率.建立了Si02纳米孔隔热材料热导率计算方法,计算了材料在不同温度和压力下的热导率,热导率计算值和实验值相符较好,表明所发展的计算方法适用于纳米孔隔热材料的热导率计算.此外,还获得了材料气相热导率与辐射热导率随温度的变化规律,对材料结构设计及性能优化具有很好的指导意义.     

基于格子Boltzmann方法的纤维增强气凝胶复合材料等效热导率求解

对于纤维增强SiO2气凝胶复合隔热材料的等效热导率,以往主要通过提出简化结构之后利用等效电路方法进行理论求解。本文提出一种纤维结构的计算机随机生成方法,生成了不同的纤维气凝胶复合材料等效结构单元;采用三维格子Boltzmann模型求解该等效结构的温度场,并计算了复合材料常温下的等效热导率。本文数值预测结果与理论计算结果及相关实验结果吻合良好,表明本文模型能够有效地预测纤维-气凝胶复合材料的等效热导率。     

纳米复合隔热材料辐射与导热耦合传热

气凝胶是一种纳米多孔隔热材料,但力学强度差,通常添加纤维来提高材料的力学性能。建立基于光学厚的导热与辐射耦合传热模型,揭示纤维种类对气凝胶纤维复合材料的隔热影响机制。结果表明,高温下石英纤维b的消光系数最大,抑制辐射能力最强,钠钙玻璃纤维抑制辐射能力最差。纤维的选择对提高材料的隔热性能有显著的影响。纤维复折射系数平均值越大,同时围绕平均值向下波动越小,其消光系数越大。本文研究的4种复合材料,加入石英纤维b的复合材料的高温整体热导率最低。     

随机结构多孔介质等效热导率数值计算

本文对二维颗粒弥散多孔介质的辐射导热耦合等效热导率进行了数值计算研究。首先采用随机生成结构方法(Random generate-growth method,RGGM)生成实际多孔材料的复杂结构。在此基础上,采用离散坐标法及有限容积法求解了复杂结构内部辐射导热耦合换热,进而计算得到材料的等效热导率。根据建立的材料随机结构模型及等效热导率数值计算模型,分别研究了衰减系数、弥散相体积分数、温度等因素对材料等效热导率的影响,并将数值计算结果与理论计算结果进行对比,吻合较好,反映出模型用于预测实际多孔材料等效热导率的有效性。     

气凝胶单元体模型结构参数与等效热导率研究

本文基于二氧化硅气凝胶的微观结构特点,运用小球构成的立方阵列单元体纳米孔隙模型,结合固相导热和气相传热的尺度效应,计算得到了一定尺寸范围内材料的等效热导率,分析了材料密度、颗粒接触面积、材料比表面积等因素对材料等效热导率的影响。结果表明:存在使气凝胶等效热导率取最小值的最佳密度;在一定的密度范围内,孔隙率一定时,材料的等效热导率随比表面积的增大而减小;颗粒间接触界面直径与固相颗粒直径的比值越大,等效热导率越低,在该比值一定时,气孔的尺寸和分布成为影响模型等效热导率的关键因素。     

基于LBM的多孔陶瓷有效热导率和相变传热分析

多孔氮化铝陶瓷具有高导热、耐熔盐腐蚀等优点在相变材料封装方面具有较大应用前景。本文采用微米计算机断层扫描(CT)得多孔氮化铝的灰度图像,并精准重构三维孔隙结构。并采用四参数随机生长、堆积颗粒、维诺结构等数值方法建立结构模型。基于介观尺度的格子玻尔兹曼方法 (LBM),计算了多孔陶瓷的有效热导率,结果表明维诺结构与CT真实重构的热导率接近。采用三维焓法LBM模拟了多孔骨架内的相变传热过程,获得了孔隙尺度对流相变的传热机理,并分析了不同孔隙率时的储热密度和复合材料的有效热导率。基于CT扫描和LBM的相变传热模拟有助于快速分析骨架的热特性,为多孔骨架的设计提供理论基础。     

多孔材料气凝胶气固耦合传热研究

多孔材料气凝胶内气体与固体之间的耦合传热对其隔热性能具有较大的影响。基于气凝胶微观结构,建立了气凝胶内气固耦合传热模型,并获得了分析解。所提出的模型与文献实验数据、理论计算及数值模拟结果进行了比较,验证结果证明了本文所建立的耦合传热模型具有较高的预测精度。与已有的耦合传热模型相比,本文建立的耦合传热模型具有计算简单且预测精度较高的优点。     

封面故事

正通过溶胶—凝胶法结合乙醇超临界干燥法,我们制备获得了ZrO_2-Al_2O_3复合气凝胶隔热材料。ZrO_2极低的热导率配合Al_2O_3的高温热稳定性使得ZrO_2-Al_2O_3复合气凝胶材料在高温隔热领域具有很好的应用。封面图中的"贵宾犬"是使用SEM扫描电镜拍摄的ZrO_2-Al_2O_3复合气凝胶结构的电镜照片。图中的结构是由     

碳黑掺杂SiO_2气凝胶热辐射特性的蒙特卡罗计算

高温环境下纳米隔热材料内热辐射的影响显著增强,遮光剂的掺杂将不可或缺。为了研究遮光剂掺杂对纳米隔热材料热辐射特性的影响,本文发展蒙特卡罗数值方法(MCM)与Mie散射理论对碳黑遮光剂颗粒掺杂的SiO_2气凝胶热辐射特性进行了理论研究。研究结果表明:优化参数后的碳黑颗粒掺杂气凝胶可以有效阻隔辐射传热,并且提高材料的隔热性能。该方法对纳米隔热材料遮光剂的选取和优化具有指导意义。     

基于超材料的平板二维定向传热结构设计

基于变换热力学, 采用坐标斜变换和旋转变换得到定向传热结构单元的热导率分布表达式, 并利用隔热材料和铜分层排布实现了定向传热结构单元. 将定向传热结构单元周期性排列, 得到二维平板定向传热结构. 数值计算结果表明: 当外部热流流向该结构上表面时, 热量主要向两侧流动, 从而使上下表面保持低温. 与同厚度二氧化硅气凝胶隔热材料相比, 上表面温度降低33.3%, 下表面温度降低4.3%, 而侧面温度上升40.1%. 定向传热结构上表面温度的降低表明能够及时导走热量, 从而降低上表面的红外辐射; 下表面温度的降低说明定向传热结构比二氧化硅隔热材料具有更好的隔热效果; 上表面热量主要向两侧传输造成侧面温度急剧升高, 有利于热能的有效利用. 定向传热结构在红外隐身、热防护领域具有潜在的应用价值.     

碳遮光石英气凝胶传热机制与热性能数值模拟

建立了碳遮光石英气凝胶传热机制及热性能数值模拟方法,在交叉立方阵列导热模型、热辐射传输谱带模型、辐射导热耦合传热模型基础上,采用蒙特卡罗方法与有限体积法数值模拟了气凝胶内的热辐射传输及辐射导热耦合传热,并以表观导热系数描述气凝胶传热性能.以某石英气凝胶为例,定量模拟了热性能、各种传热方式的作用及温度依赖性,分析了应用Rosseland扩散近似引起的误差.     

石墨泡沫新材料导热的分形模型

新型导热材料石墨泡沫具有很好的热物理性质。本文在实验获取这种新型多孔材料的基础上,建立了基于分形理论的材料结构和导热模型,采用热阻法给出了石墨泡沫材料的等效导热系数的关系式,计算了石墨泡沫的剖面孔隙面积分形维数和等效导热系数.     

高温热物性测试系统的热防护设计

采用稳态法测量高温条件下的材料热物性参数,需设计有效的热防护结构。本文设计了隔热材料和多层金属屏相结合的热防护结构,根据能量平衡方程和同心圆柱面辐射换热方程建立了热防护结构的稳态传热模型。分别讨论了隔热材料热导率、金属屏发射率、隔热材料厚度、金属屏层数对隔热结构性能的影响。结果表明:当选用碳纤维硬毡作为隔热材料,厚度105 mm,金属屏表面发射率为0.05,金属屏层数为5层,可以达到最佳隔热效果。     

硅气凝胶和它的分形结构

硅气凝胶是从溶胶－凝胶工艺衍生出来的非晶态纳米多孔性物质。它是研究分形结构最理想的材料。研究分形结构最有效的实验手段是小角散射。小角散射实验表明，硅气凝胶由尺寸为ａ（ａ～１ｎｍ）的颗粒组成。这些颗粒组成分形网络，分形结构持续到尺度．在以上的长度范围，材料可视为均匀的。介绍了硅气凝胶的制备、结构及结构测量。     

多孔介质分形结构热方程的多重双尺度概率模型与数值模拟

多孔介质分形结构既含有大量微米量级甚至纳米量级的微孔隙,也含有大量厘米甚至米量级的宏观孔洞。如果又假设复相材料和孔隙的就位性及形状大小服从某一概率分布。此时无论是理论分析或是数值计算均非常困难。本文对此问题,初步建立多重双尺度概率模型,井给出数值实验结果。     

基于微结构参数建模的多孔硅绝热层热导率研究

多孔硅由于具有较低的热导率,因而可以将其作为半导体器件中的绝热层.与其他从边界散射等复杂微观热传导机制出发建模研究多孔硅的热导率不同,将多孔硅热导率影响机制更表观地归结到孔洞的存在和分布等结构因素上,把整个多孔硅视为由硅连续材料介质和孔洞连续介质通过串联和并联组合成的复合微结构,给予其低热导率一个更为易于理解和简化的解释.进一步把孔隙率对等效热导率的影响分解为两个不同的部分,即纵向部分和横向部分,半定量地给出不同的孔洞结构和分布下孔隙率与等效热导率的关系.与实验数据进行对比后验证了模型的有效性.继而从结构的角度说明了多孔硅热导率较低的原因.     

二氧化硅多孔介质气凝胶和干凝胶的分形结构研究

二氧化硅多孔介质气凝胶和干凝胶的结构用小角Ｘ射线散射进行了研究．实验表明，用一步法制备的各种气凝胶全部具有分形结构．而干凝胶和用两步法制备的气凝胶没有分形结构．实验还证明干凝胶由尺度较大的球形颗粒组成     

气凝胶中气相贡献热导率的数值求解

本文首先对纳米尺度受限空间中分子自由程进行了修正,进而提出了受限空间中气体的"净热导率"模型,并使用DSMC结果验证了该模型。采用扩散集团凝聚(DLCA)方法构造了气凝胶三维物理模型。结合提出的气相"净热导率"模型,采用LBM方法对气凝胶中气相贡献热导率进行了数值求解。结果表明:数值预测结果与实验值吻合较好。     

稠密颗粒系统辐射换热算法研究

本文在不同空间尺度下研究稠密颗粒系统的辐射换热,提出短程辐射模型、长程辐射模型和微观模型.长程辐射模型考虑了所有存在辐射换热关系的颗粒对,而短程辐射模型仅考虑距离较近的颗粒球。通过和现有的经验关联式比较,当材料热导率远大于辐射等效热导率时(Λ10),长程辐射模型能准确地预测辐射换热。而当两者在同一量级上时,辐射换热被严重高估。此时,短程辐射模型显示出更好的计算精度,     

添加物对氧化硅凝胶隔热性能影响的实验研究

纯氧化硅气凝胶孔隙率高,易碎且对红外光谱具有较强的选择透过性,高温隔热性能差。加入纤维和遮光剂可以改善材料力学性能和隔热性能,然而纤维的加入会增加气凝胶的固相导热、降低辐射传热,但总的作用是降低气凝胶的隔热性能;加入遮光剂抑制辐射传热的同时会增加固相导热,综合影响效果不仅随着遮光剂的种类、含量和大小的影响,还会随着使用温度变化。本文采用基于瞬态平面法的Hot Disk热常数分析仪在较大的温度范围内测试氧化硅气凝胶添加不同含量的Si02增强纤维和中空球、添加不同粒径和含量的SiC遮光剂对氧化硅纳米多孔材料等效导热系数的影响规律,并对比了添加SiC、ZrO_2和TiO_2遮光剂的遮光效果。