微来尺度结构特征对纳米材料热导率的影响
陆规段远源＇王晓东？
（1清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室，北京100084）（2北京科技大学机械工程学院热能工程系，北京100083）
文摘构建了包含纤维和遮光剂等功能添加物以及裂缝等非均匀结构的理想结构单元，采用等效电路的分析方法，计算了复合型隔热材料的等效热导率。通过参数计算分析，讨论了纤维和遮光剂等功能添加物以及裂缝等非均匀结构对纳米孔高效隔热材料隔热性能的影响规律。计算结果表明，纤维和遮光剂颗粒的添加，提高了材料的固相热导率，但由于遮光剂颗粒能够有效的抑制材料的高温辐射，存在最佳的添加比率（本文为30%）；纤维的排布方向以及裂缝的大小，均对材料的隔热性能有较大的影响。
关键词纳米孔高效隔热材料，等效热导率，纤维，遮光剂，裂链
EffectofFunctionalAdditivesandNon-UniformStructureonInsulation
Performance of Nanoporous Insulation Materials
Lu Guit
DuanYuanyuan'
WangXiaodong
(1 Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of MOE, Tsinghua Univensity, Beijing 100084)
(2Department of Thermal Engineering,Beijing University of Science & Technology,Beijing100083)
AbstractAn ideal model that contains founctionnal addictives, such as fiber and carbon opacifier as well as non-uniform structure of cracks is proposed to investigate the effective thermal conductivity of nanoporous insulation materials with the method of equivalent circuit analysis. The contribution of fiber, carbon opacifier and cracks to the thermal conductivity is discussed in detail with this model, The calculation results show that there will be an optimal opacifier particales doping level (30% in present calculation) in the silica aerogel since the adding of opacifier re-duces thermal radiation but increases solid conduction. The direction of the fiber arangement and the size of cracks have also a greater impact on the insulation properties of silica aerogel.
Key wordsNanoporous insulation materials,Effective thermal conductivity,Fiber,Opacifier,Cracks
。引言
气凝胶是超微颗粒相互聚集构成多孔网络结构并在网络孔隙中充满气态分散介质的轻质纳米固态材料，其折射率低、平均孔径小、孔隙率高、密度小、比表面积大、热导率低、声阻抗低、吸附能力强，可用作核废料吸附剂、催化剂和隔热材料等，在航天航空、化工、冶金、节能建筑等领域具有广泛的应用前景1-4]。
但是多数气凝胶强度较低、脆性大，限制了其推广和应用。近年来学者们致力于以气凝胶为基体材料，研制复合型隔热材料，其与气凝胶隔热材料均被称为纳米孔高效隔热材料[5]。复合型隔热材料中通常通过添加纤维和遮光剂等功能添加物提高材料的
收稿日期：2010-09-20
强度和韧性、提高高温隔热性能。在纳米孔隔热材料制作和使用中，不可避免地会引入裂纹和堆积孔等非均匀结构，影响材料的隔热性能。纤维本身的尺寸和分布，纤维骨架的导热、辐射特性及纤维与气凝胶界面的传热特性以及光剂颗粒的尺寸和分布、导热和辐射特性；堆积孔、裂纹、气凝胶材料堆积的非均匀疏密差异等非均匀结构中的气相导热和辐射特性等，都会影响材料的隔热性能。由于这些功能添加物和非均匀结构通常在微米尺度，有必要在微米尺度的层面上对这些纳米孔隔热材料的传热机理进行分析。
由于纤维材料热导率高于气凝胶热导率，纤维的引入必然降低材料的整体隔热性能，因此需对纤维的
作者简介：陆规，1985年出生，博士研究生，主要从事传热传质学领域研究。E-mail：lugui02@gmail.con
http://www.yhclgy.com宇航材料工艺2011年第1期万方数据
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