复合气凝胶的分子动力学模拟及传热模型研究

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1、密级：公开工学硕士学位论文复合气凝胶的分子动力学模拟及传热模型研究ResearchonMolecularDynamicsSimulationofCompositeAerogelsandHeatTransferModel培养单位：材料科学与工程学院专业：材料学研究生：陈一泊指导教师：张光磊二○一八年六月独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得石家庄铁道大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材

2、料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：日期：关于论文使用授权的说明本人完全了解石家庄铁道大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅，同意学校将论文加入《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》和编入《中国学位论文全文数据库》。本人授权石家庄铁道大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。(保密的论文在解密后应遵守此规定)作者签名：日期：导师签名：日期：摘要气凝胶是一种纳米多孔轻质隔热材料，具有高

3、孔隙率、高比表面积等优异性能，可广泛应用于建筑节能、航空航天、催化吸附等领域。本文通过分子动力学方法模拟了气凝胶纳米多孔结构的自组装过程，对比分析了不同密度气凝胶的结构及性能，并通过建立单元体传热模型计算得到各种气凝胶的导热系数，分析了气凝胶的传热特性。首先，对SiO2气凝胶进行微观原子尺度的动力学计算，研究纳米多孔结构的自组装过程，并对不同体系进行能量、多孔结构、原子间结合力及力学性能分析。结果表明，非键相互作用中的范德华力主导了自组装过程。当密度为0.078g·cm-3时，形成的结构以纳米团簇为主；当密度超过0.172g·cm-3时

4、，可形成以硅、氧元素为主体的无定形骨架结构。原子间结合力的增强导致其运动活性降低，可自由移动空间减小。当SiO-32气凝胶密度为0.078～0.443g·cm时，弹性模量为0.1265～0.7889MPa，与密度成线性关系。模拟结果与实验值吻合度较高。其次，模拟实现了聚脲/SiO2复合气凝胶纳米多孔结构的自组装过程，并对比分析了各体系的能量、均方位移、多孔结构及力学性能等。研究表明静电相互作用是其多孔结构自组装过程中的主导因素，且聚合链的扩散运动性随密度增加而逐渐降低。当密度超过0.236g·cm-3时，可形成骨架结构，且随密度增加骨架

5、结构逐渐变粗。当密度为0.236～0.512g·cm-3时，弹性模量为85.39～213.94MPa。相比于纯SiO2气凝胶，经聚合物交联后增强了骨架结构中二次粒子的连接部位，弹性模量提高了190～240倍。最后，针对纳米多孔绝热材料的微观结构，建立了纳米孔隙计算模型，综合考虑了气凝胶颗粒的气固耦合热传导、孔隙中的气相传热及辐射传热，最终推导出有效热导率的计算表达式。采用传热模型计算了几种气凝胶的热导率，结果与实验值吻合度较高。通过分析温度、密度、比表面积等因素对气凝胶热导率的影响规律，表明气凝胶存在最佳密度使其导热系数最低。在高温下辐

6、射传热为主要传热方式，添加纤维会显著降低气凝胶在高温下的导热系数。关键词：气凝胶；纳米多孔；绝热；分子动力学；自组装AbstractAerogelisanano-porouslightweightinsulationmaterialwithhighporosity,highspecificsurfaceareaandotherexcellentproperties.Itcanbewidelyusedinenergy-savingconstruction,aerospace,catalyticadsorptionandotherfield

7、s.Inthispaper,theself-assemblyprocessesofnano-porousstructureofaerogelsweresimulatedbymoleculardynamicsmethod,andthestructuresandpropertiesofaerogelswithdifferentdensitywerecomparedandanalyzed.Thenthethermalconductivityofaerogelswasobtainedbyestablishingheattransfermodel

8、ofunits,andthecharacteristicsofheattransferwereanalyzed.Firstly,tostudytheself-assemblyprocessofnano-po