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韩亚芬等:纳米隔热材料导热特性研究
03017
文章编号:1001-9731(2014)03-03017-03
纳米隔热材料导热特性研究
韩亚芬,夏新林,刘海东,谈和平
(哈尔滨工业大学能源科学与工程学院,哈尔滨150001)
摘要:为进一步深入研究气凝胶鈉米隔热材料的纳米颗粒均假定为相同尺寸。实际上,在纳米隔热材
导热性能,在考虑气凝胶体纳米颗粒尺寸非均匀分料中,颗粒尺寸是随机分布的大小不ー。为探索颗粒
布的基础上,建立了SiO2气凝胶气同耦合导热计算模尺寸非均匀分布对气凝胶材料导热特性的影响,本文
型。纳米颗粒的导热系数采用格子波尔兹曼法数值模在考虑固体纳米颗粒尺寸非均匀分布的基础上,建立
拟。基于建立的结构模型,研究分析了密度、孔隙率及了气凝胶气固耦合导热模型,进一步开展了对气凝胶
颗粒尺寸非均匀分布等因素对气凝胶气固耦合导热特导热特性的研究
性的影响
关键词:气凝胶;导热;颗粒尺寸;纳米
物理与数学模型
中图分类号:TK124
文献标识码:A2.1气凝胶气固耦合导热计算
DOI:10.3969/.issn.1001-9731.2014.03.004
基于S.Q.Zeng3提出的结构模型和Si(O)2气凝胶
的微观结构特点,建立两种尺寸纳米颗粒四棱柱结构
模型,如图1所示。小球颗粒直径d1,大球颗粒直径
气凝胶是一种由固体骨架和气体构成的纳米孔绝d2?大球与小球数量比か:q,模型结构边长D。气凝
热材料。因其具有高孔隙率、高比表而积、低导热率等胶固体纳米颗粒尺寸较小,其横向与纵向导热系数相
特性,目前已成为航天航空及建筑等领域极具潜力的差很小,因此假定颗粒导热各向同性。颗粒问接触界
防隔热材料2。对其热特性进行理论分析研究可以而热阻采用下式计算
为气凝胶绝热材料的热设计和性能优化提供理论依据
R
和参考。
k
国内外学者对气凝胶材料导热特性做了一定的研
30(h/2x
究,Zeng提出了气凝胶材料气固导热的3种立方阵
式中,T为界面温度:S为界面接触面积;h为普
结构模型,利用3种模型计算了气凝胶气固耦合导热朗克常数;1为材料声速,ca-2为界面声子透射系数,
系数。魏高升发展了气凝胶复合材料导热结构模界面两侧为同种材料时a1-2=0.5。
型,并计算了其有效导热系数。
基于以上结构模型,根据能量守恒及傅里叶导热
目前,纳米隔热材料气固耦合导热特性的研究中,定律,可得气凝胶有效导热系数:
1(1
BX
△FD(4
A1/ks+A2/k。+x(a/2)R
(k。一k)g4dー(a+d)2/(kka)+(k。一ks)か44るー(a+d1)/(k。ks)+2(A1+A2)/k。
(k一k)(pV1daー(d1+d2)2)/(kak)+2(A1+A2)/k
B
D -B
B2?(d
B9 - 1d
q?(12
(l2-cd4)a12
k。+1(Dーd2)2k。、△T
D
2)
其中
△Txk
A,=pvd,
/(p+q
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51176038);国家自然科学基金委创新研究群体资助项日(51121004
收到初稿日期:2013-04-25
收到修改稿日期:2013-09-19
通讯作者:夏新林, E-mail: xiaxl(a hit.edu.cn
作者简介:韩亚芬(1979-),女,内蒙古赤峰人,博士,从事纳米隔热材料耦合传热研究。
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2014年第3期(45)卷
气体传递热量份额的迅速增加,气凝胶有效导热系数
Bs2=1
j气体导热系数均随之明显増大。
k。为小颗粒导热系数,ka为大颗粒导热系数
0.04
有效导热系数
气体导熟系数
a=2.5 nm
1101×105Pa,7=300K
=220ko
0.02
p/P
图3有效异热系数随气体压力的变化
Fig 3 Effective thermal conductivity of aerogel with
图1气凝胶结构模型
diffcrent air pressure
Fig I Geometry structure of aerogel
图4给出了有效导热系数随密度的变化,其有效
2纳米固体颗粒导热
导热系数随密度増加先减小后增大,密度为120kg
SiO2气凝胶固体骨架由球形纳米颗粒粘结而成,m2时,导热系数出现最小值。密度<120kg/m2时
颗粒尺寸为2~5nm1。图2给出了其结构模型。边在热量传递方向上气体导热起主导作用,随密度增加
界条件为左侧缺口表面给定温度T=301K,右側缺气体份额和导热系数均减小?使得有效导热系数减小
口表面给定温度T2=300K:球表面给定绝热,漫反射密度>120kg/m3时,在热量传递方向上固体导热起
边界。基于格点反弹格式基本原理,确定曲面边界,主导作用,随密度增加固体份额和导热系数都增大,使
并对曲面绝热边界实施格点反射边界条件处理。采用得有效导热系数增大。
格子波尔兹曼法(LBM)D3Q15模型模拟纳米颗粒导
d1=d2=5 nm
0.024
P=1.01×105Pa,7=300K
热系数。ILBM具体模拟及验证过程作者已在文献[8
a=2,5 nm
给出,这里不再赘述。
0.022
绝热
0.020
0.018
0.016
轴
100
pl/kg·m-3
图1有效导拠系数随密度的变化
Fig 4 Effcctive thermal conductivity Of aerogel with
different density
图2纳米颗粒几何模型和边界条件
图5给出了不同颗粒直径时有效导热系数随孔隙
ig 2 Geometry and boundary conditions of nano
率的变化。颗粒非均匀分布时,大小球均为等比例混
合。图5气凝胶有效导热系数均随孔隙率增大而先减
grain
2.3气体导热
小后增大,在某一孔隙率时有效导热系数出现最小值
长用zeng的气凝胶孔隙内空气导热系数计算公颗粒直径尺寸分布越不均匀,其出现最小值的孔隙率
越小。在有效导热系数出现最小值之前,颗尺寸非
60.22×105かT0
均匀分布降低了有效导热系数
0.25SpV、/V。+4.01X10pT(3
0.040
d1, d2=5 nm
d1=4 nm, d2=6 nm
式中,为压力,、为材料密度,V、V、分别为
0.035
T=300K,P=1.01X105Pa
体和固体的体积份额。
0.030
0.025
3计算结果及分析
20.020
图3给出了气体压力对气凝胶导热系数的影响。
0.015
图中有效导热系数与气体导热系数的变化趋势一致。
0.010
0,75
这是因为气凝胶孔隙率较大,气体导热对有效导热系
图5有效导热系数随孔隙率的变化
数影响较大。气体压力<10'Pa时