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特邀评述

2015年第60卷第2期：137~163

《中国科学》杂志社

SCIENCECHINAPRESS

气凝胶纳米多孔材料传热计算模型研究进展

何雅玲*,谢涛

西安交通大学能源与动力工程学院,热流科学与工程教育部重点实验室,西安710049

*联系人,E-mail:yalinghe@

2014-09-09收稿,2014-09-22接受,2014-12-08网络版发表

国家自然科学基金重点项目和国家重点基础研究发展计划(2013CB228304)资助

摘要对新型气凝胶纳米多孔隔热材料等效热导率计算模型在近年来的发展进行了研关键词

究总结,介绍了(1)纳米尺度下气凝胶隔热材料的气相/固相/辐射等不同传热模式的传

气凝胶纳米多孔材料

等效热导率热特点;(2)气凝胶纳米尺度多孔网络中的气相传热、固相传热以及辐射传热的理论计

算、数值预测以及经验关联等不同计算模型的特点及建立方法;(3)气凝胶纳米多孔隔热

材料以及气凝胶复合隔热材料的整体等效热导率计算模型的研究进展;(4)以前期开展

的研究工作为例,具体说明了气凝胶复合隔热材料从纳米尺度到微米尺度的传热模型的

建立过程以及整体等效热导率计算模型的建立方法;(5)对分子动力学方法在气凝胶纳

米多孔材料中的应用做了简要介绍.最后指出,对于气凝胶纳米多孔材料,其纳米尺度

下的气固接触界面等特殊区域的耦合传热机理研究还不完善,复杂结构的纳米颗粒的固

相热导率以及整体热导率计算模型也不够准确.因而采取适用于纳米尺度下的传热计算

方法对这些问题进行更细致深入的研究,可以为进一步阐明气凝胶复合隔热材料内部的

气相传热

固相传热

辐射传热

热量传递机理,建立更准确的气凝胶复合隔热材料传热计算模型,探索不同影响因素对

传热性能的影响规律,以及开展气凝胶复合隔热材料的性能预测及优化等方面的研究,

提供理论指导帮助.

气凝胶通常指以纳米量级颗粒相互聚集构成纳

米多孔网络结构的轻质纳米固态材料,其骨架颗粒直径约1~20nm,孔隙尺寸约2~50nm,孔隙率可以

高达90%以上[1].由于其纳米尺度的多孔网络结构(图1),导致气凝胶材料具有热学、光学、声学、电学等一系列特殊的性能,并可广泛应用于能源、建

筑、化工、航空航天等领域.Hrubesh[2]对于气凝胶材

料的特殊性能以及相关的应用做了总结,见表1.

气凝胶材料因同时具备轻质和高效隔热两方面

图1氧化硅气凝胶扫描电子显微镜图[5]

Figure1Scanningelectronmicrographofsilicaaerogelnetwork[5]

拓荒者(MarsPathfinder)”和“星尘号(Stardust)”中,开

的优点,使其成为一种性能优良的新型纳米多孔隔

热材料,并且已经受到越来越多的关注,尤其在飞速

启了气凝胶应用在空间探索领域的大门[5].2003年,

发展的航空航天科技领域[3,4].20世纪90年代,美国

NASA“火星探测漫游者(MarsExplorationRovers)”

计划中的“火星探测样本采集(SampleCollectionfor

NASA将气凝胶应用在了两个太空探索计划:“火星

引用格式:何雅玲,谢涛.气凝胶纳米多孔材料传热计算模型研究进展.科学通报,2015,60:137–163

HeYL,XieT.Areviewofheattransfermodelsofnanoporoussilicaaerogelinsulationmaterial(inChinese).ChinSciBull,2015,60:137–163,

doi:10.1360/N972014-00948

2015年1月第60卷第2期

表1气凝胶材料的属性、特点及其应用[2]

Table1Properties,featuresandapplicationsofaerogelmaterial[2]

性质特点应用

热学特性最好的固体隔热材料;透明;耐高温;重量轻建筑设备隔热材料,太空飞行器和探测,铸造模具

低密度/高比表面积/最轻的合成固体材料;均匀;高比表面积;催化剂,吸附剂,传感器,燃料储存,离子交换

高孔隙率多种组成成分

光学特性具有低折射指数的固体材料;透明;透光材料;光耦合材料,Cerenkov探测器介质材料

多组分合成材料

声学特性最低的声速材料测距仪,传感器的阻抗匹配器,