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《超级绝热材料气凝胶的纳米孔结构与有效导热系数.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第4卷第2期热科学与技术Vol.4No.22005年6月JournalofThermalScienceandTechnologyJun.2005文章编号:167128097(2005)0220107206超级绝热材料气凝胶的纳米孔结构与有效导热系数魏高升,张欣欣,于帆(北京科技大学热能工程系,北京100083)摘要:根据气凝胶的纳米孔结构特点,采用由小球体构成的立方阵列单元体结构,建立了描述纳米孔超级绝热材料气凝胶的气固耦合导热模型。计算结果表明气凝胶的纳米孔结构和固体颗粒纳米尺寸效应以及高的比表面积值是导致材料具有极低导热系数的主要因素
2、。气凝胶存在具有最低导热系数的最佳密度。在高温下辐射传热是气凝胶传热的主要方式,通过渗碳等遮光处理会显著降低气凝胶在高温下的导热系数。关键词:气凝胶;有效导热系数;超级绝热材料;耦合传热中图分类号:TB35;TK121文献标识码:A[5][6][7]型,Hsu等的集总参数模型,Yu等描述硬0引言硅钙石型绝热材料的点接触空心球模型及面接触气凝胶是经过溶胶—凝胶工艺和超临界干空心立方体模型;对于气凝胶绝热材料,Zeng[8]燥技术制得的纳米孔超级绝热材料。纳米级孔隙等建议了三种交叉立方阵列结构,即,交叉方结构(几纳米到几十纳米)和连续的空间网
3、络结杆立方阵列、交叉圆杆立方阵列和由小球体构成构,使得气凝胶具有十分优良的绝热性能,应用前的杆状立方阵列结构。作者认为采用由小球体构[123]景广泛。气凝胶作为绝热材料的主要困难是其成的杆状结构更接近于气凝胶的微观结构,因此强度低,脆性大,纳米级孔隙结构在外在压力下很采用该结构模型来分析气凝胶中的传热;并进一容易被破坏。因此一些研究者设想将气凝胶与其步分析各参数,如密度、比表面积、温度等对气凝他材料复合来制造既具有优良绝热性能又具有一胶有效导热系数的影响规律。定强度的复合型纳米孔超级绝热材料。美国[4]1单元体传热模型——气固导热NASA
4、Ames研究中心的White等开发的硅酸铝耐火纤维——SiO2气凝胶复合块体材料就是的耦合典型的实例。分析气凝胶中的传热规律有助于以气凝胶是具有开放性纳米多孔结构和连续空气凝胶为基础的复合型纳米孔超级绝热材料的发间网络结构的固体材料,如图1(a)所示。采用由展和应用。多孔介质中的热传导过程与材料的微[8]小球体构成的立方阵列来代替这种结构(见图观结构密切相关,而其微观结构都具有随机分布1(b))。考虑从单元体底面到上面的一维传热过的特点,通常可以采用规则的几何结构来代替这程,通过单元体的传热可分解为以下四部分:种随机结构从而可以分析得到有
5、价值的有效导热Q1gap,通过两球之间的气相和固相传输的能量;系数。对于不同的多孔材料,研究者们提出了很多Q1cont,球之间的直接固体接触部分传输的能量;的微结构模型,如非接触球形分散系的MaxwellQ2,由底部球体通过中间的气相进而传输到顶部模型、Eucken方程模型,条形气孔的Loeb模收稿日期:2004209222;修回日期:2005204201.基金项目:国家自然科学基金资助项目(50276003).作者简介:魏高升(19752),男,博士生,主要研究方向为热物性理论及其测试.108热科学与技术第4卷2球体的能量;Q3,中间气
6、相传输的能量。其中Q1gapQ3=(D-d)$TkgöD(4)和Q2可通过对微元体内的传热进行积分得到(见式中:B=1-kgöks,kg为气凝胶中的气相导热系图1(c)、1(d)):数,ks为固相导热系数;d和D为单元体的结构参dö2数;a为两小球间的接触直径;n为每个杆中的小Q1gap=∫×aö2球个数;$T为单元体上下表面的温差;kc为气固($Tön)2Pxdx2222=耦合导热系数:2(dö2)-xöks+[Dön-2(dö2)-x]ökgQ1gap+Q1cont+Q2+Q3P$TdkgDa2kc=(5)ln1-ndB1-+$TD2
7、nBndBDd将式(1)～(4)代入式(5)并考虑关系2a(1)a2+(Dön)2=d,则有1-d2222Pa1a22Pa1(1-a2)22kc=+(1-a1)-2×(dö2)-(aö2)4(1-B)2BQ2=∫×0P2[B+ln(1-B)]+(1-1-a2-2(n-1)$T2PxdxB=22222(dö2)-xöks+[D-2(dö2)-x]ökg11-Ba1a2a1)ln-(1-a2)]õkgBa11-Ba1P(n-1)$TdaD1-BaöDkgg+ln-1(2)BdBd1-BdöD(6)2其中a12:a1=döD,a2=aöd。Q1
8、cont=P$TksöD=Pa$TksöD(3)24(a)气凝胶的空间结构(b)简化的单元体结构(c)两接触球间的传热分析(d)球—空气—球间的传热分析图1气凝胶的单元体结构及传热分析Fig1
