气凝胶单元体模型结构参数与等效导热系数研究 刘鹤.doc

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：113635 气凝胶单元体模型结构参数 与等效导热系数研究 刘鹤1，1，2，1 （1西安交通大学，西安 710049） （2航天材料工艺研究所，北京 100076） （Tel：029-8266 Email: lizengy@mail.xjtu.edu.cn） 摘要：关键词：氧化硅；； 0 引言 以下）和固体骨架结构()使得气凝胶具有十分优异的隔热性能。室温下，密度为的二氧化硅气凝胶的热导率仅为[1]。在相同的隔热效果下，与传统隔热材料相比，二氧化硅气凝胶质量更轻、体积更小。目前，气凝胶在航天飞机的热防护、核反应堆的隔热系统及建筑物的节能等方面存在很大的应用潜力[2]。随着气凝胶的广泛应用，如何优化气凝胶的隔热性能成为一个研究热点。 气凝胶的隔热性能与其组织结构密切相关，纳米级的开放性三维网络结构使气凝胶的热传导过程十分复杂。在计算气凝胶纳米尺度结构热传导方面，比较流行的方法主要有：分子动力学方法, 它已经成为计算热导率和声子散射的有力工具，可以提供热传导的比较直观的物理图像；另一种方法是对声子玻尔兹曼传输方程（BTE）进行数值求解。本文通过建立可有效预测二氧化硅气凝胶等效热导率的模型，选取合适的与气凝胶结构参数相关的气固相导热系数公式，计算得到在一定气动加热条件下的二氧化硅气凝胶的等效导热系数。在此基础上对等效导热系数随结构参数的变化规律进行研究和分析，得到模型等效导热系数与结构参数之间的变化规律。 1 气凝胶微元结构模型的建立及传热分析 本文采用Zeng [3]提出的由小球体构成的立方阵列单元体模型作为二氧化硅气凝胶单元体模型的近似结构，如图1所示： 图1简化的小球体构成的立方阵列单元体模型 对单元体模型进行传热分析：气凝胶单元体的孔洞尺寸都在纳米级，对流引起的热传导可以忽略不计[4]。纳米颗粒之间的辐射传热问题属于近场辐射的范畴，与声子输运过程密切相关[5]，其分析和计算异常复杂。在较低的温度下，辐射传热在整个传热过程中所占的比重很小，常温常压下可以忽略[6]。因此在本研究中仅考虑从单元体底面到上表面的一维稳态传热过程。模型的热传导可分为三部分，如图2所示， 图2 单元体模型的传热分析 其中为通过两球之间气相和固相传导的热量及球之间直接接触部分的固相传导的热量；为通过底部球体通过球杆之间的气相传输到顶部球体的热量；为结构单元中间气相传输的热量。各部分的热传导计算公式如下： （1） （2） （3） （4） 式中：―小球体的直径；―立方体的边长；―两小球的接触直径；―相邻两小球接触直径之间的距离;―每根杆上的小球体个数；―气凝胶中固相的导热系数；―气凝胶中气相的导热系数；―单元体的等效导热系数。 2 气凝胶气相导热系数和固相导热系数的确定 气凝胶是一种结构可控的非晶态固体材料。由于尺度效应，宏观尺度上的气相和固相导热系数计算公式已不再适用。通过选择合适的理论对纳米孔隙结构中的气固相导热系数进行分析，确定结构参数与气固相导热系数之间的关系式，为优化气凝胶等效导热系数提供理论依据。 2.1 气相导热系数的确定 分子运动论是从物质的微观结构出发来阐述热现象规律的理论，更适合于分析微尺度下的流体流动特性。在常温常压下，纳米级孔隙的存在，使得气相导热受到很大程度的限制。研究表明，气凝胶中的气相导热系数可由下式确定： （5） 式中：―孔隙中气体的导热系数；―材料的孔隙率；―气体常数，空气的气体常数约为2；―努森数，它是气体分子的平均自由程与平均孔径的比值。气凝胶的平均孔径是由材料的密度决定的。 （6） 是由孔径的不均匀性决定的，一般来说，。由此可见，气凝胶的密度与填充的气体种类是气凝胶的气相导热系数的决定因素。 Zeng在文献[7] [8]中进一步考虑材料微