微波制备高效隔热复合材料及热性能模拟

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1、微波制备高效隔热复合材料及热性能模拟魏华周俊松刘峰实验学院指导教师：李垚一、课题研究目的SiO2气凝胶作为业界隔热性能最佳的材料，具有广阔的应用前景。然而SiO2气凝胶块体制作难度高，工业化产品主要是粉体颗粒状形态，这样只能作为填充材料来隔热，无法直接使用。为此我们采用复合的思想解决气凝胶粉体应用不便的问题。通常情况下无机复合材料需要长时间较高温度才能干燥固化形成最终的制品。这样往往会存在三个问题。第一，需要消耗较多的能量；第二，材料制备时间长；第三，外部传热方式加热，在隔热材料内部引起较大的温度梯度，使得材料受热不均，影响复合材料的均一性。对此本项目把微波加热用于复合材料的制备，微波的

2、“体积加热”方式保证了复合材料的均匀受热。通过对微波功率的调整，可以在短时间内同时完成材料的加热、发泡、固化，具有节能、高效、清洁、便捷的特点。利用微波加热制备的复合材料，存在着微米孔与纳米孔。其微观形态与传热过程较为复杂，本项目通过模拟的方法对这类多孔结构的热学性能进行研究，以此提供多孔结构的热学性能预测。本项目的目的是制备出一种高效的隔热复合材料。其意义在于：1.通过气凝胶与无机树脂复合拓宽了气凝胶的应用领域；2.微波加热复合材料能够同时完成发泡、加热、固化的过程，具有节能、高效、清洁、便捷的特点；3.基于材料微观图片建立模型模拟多孔材料隔热性能，有助多孔材料热学性能预测。二、课题背

3、景隔热材料不仅在能源领域有着重大的意义，而且在航空航天、设备安全运行等领域也担当着重要的作用。载人飞船和洲际导弹的翼前沿和头部锥体，一般要经受4000℃-5500℃的高温；航天器再入返回时，都会经受严重的气动加热，据文献[1]报道，飞行器以8马赫的速度在27km高度飞行时头锥处温度为1793℃，机翼或尾翼前缘的温度高达1455℃，高温对航天飞行器内部设备的正常运转以及宇航员的生命安全造成了严重威胁。2003年的美国哥伦比亚号飞船返回途中，由于航天飞机在发射升空时，一块从外置油箱上脱落的1.21kg重的隔热泡沫，以800km的时速在飞机左翼前端撞出一个破洞，使其在返回大气层时被3000℃的

4、气体将左翼烧化，造成机体局部高温最后导致机毁人亡的悲剧[2]。在航天领域高效隔热材料的重要性非同一般。现在战争中红外技术的，特别是先进的热成像技术在现代兵器中的推广应用，战斗机、舰船和坦克等武器的战场生存能力受到日益严重的威胁[3]。热成像系统是借助目标与其背景红外辐射的对比度而工作的。战斗机、舰船及坦克的发动机在工作时，其喷嘴或是排气道与环境有着几百度的温差，容易成为红外制导武器所识别。如何降低表面温度，减少热辐射成为现代武器的关键问题。高效隔热材料的应用，有助于降低坦克目标被发现和被识别的概率，同时可以改善操作环境，提高作战能力。16现有常用的隔热材料可分为多孔状隔热材料、纤维状隔热

5、材料、粉末状隔热材料和层状隔热材料几类。这些材料的隔热方式多数是依靠减少热量的固体传导、限制气体对流来提高材料的隔热性能，而气体传导与辐射传热没有太多的改善。常用的隔热材料，经过实践的检验能够有效的起到隔热作用，但是仍然存在着一些问题，比如：隔热效率不高，隔热性能随温度变化较大，受湿度等外界因素影响较大。同时常用隔热材料制备需要消耗大量的能量，如纤维类隔热材料准备需要高温熔融，无机多孔隔热材料往往需要高温反应使得材料膨胀产生气孔[4]。这些制备方式不符合当前节能环保的发展理念。对此业界提出了先进隔热材料（AdvancedInsulationMaterials）[5]与超级绝热材料（Sup

6、erInsulationMaterials）[6]等概念，它们的特征是超高的热阻、更薄的厚度、更轻的重量、更好的结构强度。气凝胶与真空隔热材料具备上述特征，代表了高效隔热材料的发展方向。隔热材料的另外一个发展方向是复合化[7]，包括材料结构的复合化与功能的复合化。复合化使得隔热材料不仅具有良好的隔热能力同时还具有良好的强度与其他特性如防水、高辐射率等。隔热材料发展除了材料本身具有上述两个趋势外，其制造与施工过程也朝着低能耗、绿色无污染发展[8]。德国对石棉全面禁用[9]以及全球限制氟氯碳化物（CFC）发泡剂使用[10]预示着隔热材料绿色化的趋势越来越明显。气凝胶(aerogel)是一种由

7、胶体粒子或高聚物分子相互聚结构成纳米多孔网络结构，并在孔隙中充满气态分散介质的一种高分散固态材料[12]。气凝胶特有的三维网络孔隙结构，使其具有很多独特的性质，包括高表面积（>1000m2/g）、低折射率（1.0-1.3）、低导电系数(<1.7)、低传热系数（<0.5W/(m2·K)）、低声传播速度(<100m/s)、低密度(100-300kg/m3)等。这使得气凝胶具有非常广泛的应用领域，例如可作为催化剂和催化剂载体、超级电容器、