纳米隔热材料在舰船上的应用前景

概述了舰船隔热保温材料的种类及优缺点,特别介绍了具有广阔应用前景的纳米隔热材料及其性能特点,并通过分析国外纳米隔热材料在舰船上的应用现状及国内研究基础,展望了纳米隔热材料在国内舰船上的应用前景.     

多层反射纳米隔热材料的制备及性能研究

制备了超薄纳米隔热材料和高反射金属箔,并组合成多层反射纳米隔热材料.结果表明:制备的超薄纳米隔热材料表面平整、厚度小于0.5 mm,材料的孔和粒径为纳米尺度;制备的金属膜结构紧密,厚度满足设计要求,在中心波长附近平均反射率高于95%.典型多层反射纳米隔热材料室温热导率为16 mW/(m·K).     

纳米隔热材料的热导率变化规律

为认识和掌握纳米隔热材料的热导率变化规律,以正硅酸乙酯(TEOS)为硅源、炭黑为遮光剂、石英纤维为增强体,采用溶胶-凝胶工艺结合超临界干燥技术制备了纳米隔热材料,并采用热导率测试仪、N_2吸附-脱附、SEM、激光粒度仪对材料进行了表征。测试结果表明:未添加炭黑的材料常压热导率随表观密度的变化以203 kg/m^3为分界点,分界点之前随表观密度的增大线性降低,分界点之后则随表观密度的增大线性升高,并且后一阶段较前一阶段变化快。孔隙率相同时,常压热导率随炭黑含量的增加先降低后稍有升高,极限真空热导率逐渐降低,而常压条件下的气相热导率增大。在半对数坐标系中,气相热导率随环境气压的下降而降低,并且依据降低速率可以划分为三个阶段,101.325～30 kPa之间下降最快,且变化值约为6 mW/(m·K);30～0.1 kPa之间下降较快,且变化值约为2 mW/(m·K);0.1～0.01 kPa之间下降最慢,且基本可以忽略不计。材料常压热导率最低值为16.62 mW/(m·K),添加5wt%的炭黑后可以进一步降低至14.50 mW/(m·K)。     

轻质刚性纳米隔热材料的制备与性能

针对高马赫数飞行器局部位置对刚性隔热材料的迫切需求,开展了轻质刚性纳米孔隔热材料的制备和性能研究。通过纤维分散、模压成型和纳米颗粒复合技术,成功制备出力学性能优良的刚性纳米孔隔热材料。研究了材料组成与力学性能、隔热性能和微观结构的关系。结果表明,采用刚性骨架增强的纳米孔隔热材料是相同密度下纤维毡增强隔热材料压缩强度的两倍;温度越高,隔热材料的压缩强度变化就越大。     

纤维型纳米隔热材料的研制

以纳米填料改性环氧树脂为基体,空心微珠和有机纤维为隔热填料,采用湿法缠绕工艺制备了纳米隔热材料。结果表明,F12型纳米隔热材料的隔热性能最佳,其热导率(20~150℃)为0.23~0.28W/(m·K),且随着温度的升高而增加。此外,隔热材料在150℃下加热100s后,背壁温度不超过50℃。     

纳米隔热材料导热机理与特性研究

以SiO2气凝胶为研究对象,对其气相和固相导热机理进行了研究,进而为SiO2气凝胶材料传热设计提供理论指导.建立了SiO2气凝胶固相结构单元导热模型,在考虑对声子平均自由程的各种限制条件基础上,运用动力学理论分析了影响SiO2气凝胶固相结构单元热导率的影响因素.根据SiO2气凝胶微观结构特点,建立了几种纳米孔隙模型,计算了各种条件下SiO2气凝胶的当量热导率,研究了SiO2气凝胶各物性参数对其当量热导率的影响,并对比了几种纳米孔隙模型下SiO2气凝胶的当量热导率,并与实验值做了比较.     

纳米孔超级绝热材料研究现状及进展

纳米孔超级绝热材料是一种新型高效隔热材料,具有轻质、耐高温、孔隙率高、导热率低等优点,
目前已成为保温隔热材料领域研究的热点,其中最具代表性的是气凝胶隔热材料和纳米粉末基复合隔热材料。
本文对这两种隔热材料的研究现状进行了综述,并对纳米孔超级绝热材料发展前景进行了展望。     

纳米孔隔热材料等效热导率的计算

通过文献调研,分别讨论了纳米孔高效隔热材料在微米尺度和纳米尺度下气体导热,纳米尺度孔结构气固耦合等效热导率,添加遮光剂颗粒的气凝胶复合等效热导率和高温辐射等效热导率的计算方法.在此基础上,调研了用于计算流固耦合等效热导率计算的几种典型理想结构,结合对纳米孔高效隔热材料等效热导率有影响的各种因素及微米理想结构,采用热阻串并联的分析方法,可以计算纳米孔高效隔热材料的等效热导率.     

湿热、盐雾和霉菌对氧化铝纳米隔热材料的性能影响

以氧化铝纳米隔热材料为研究对象,开展了湿热、盐雾和霉菌对材料的性能影响研究。结果表明:湿热环境下,密度为0.45 g/cm3的材料室温下热导率由0.031 W/(m·K)增加到0.047 W/(m·K);盐雾环境下,热导率由0.031 W/(m·K)显著增加到0.136 W/(m·K);霉菌环境下,热导率基本保持不变为0.031 W/(m·K)。分析了材料表面与上述环境的相互作用,发展了材料表面防潮技术。经防潮后的氧化铝纳米隔热材料疏水性显著提高,接触角均超过90°。再经贮存环境试验考核,发现材料基本不受湿热、盐雾和霉菌的影响。     

纳米SiO2 基复合隔热材料吸水性能

考察了纳米SiO2基复合隔热材料各组分添加量对吸水率的影响,同时针对复合材料吸水率高的问题,通过热处理和添加疏水纳米SiO2的方式来降低吸水率.结果表明:纳米Al2O3和无碱超细玻璃纤维对复合材料吸水率影响不大,添加锆英石会使材料吸水率升高.高温热处理会在一定程度上降低吸水率,但温度应控制在800℃以下.添加疏水纳米S...     

双组元25N推力器脉冲工作模式下的传热特性分析及改进

在离心式双组元25N推力器的脉冲工况温度稳定性试验中,有16%的工况均发生了推力器稳态温度跃迁导致的喷注器头部高温过热的问题。本研究针对该问题开展了深入的机理分析,并通过优化推力器局部传热特性以消除其对于特殊脉冲工况的应用限制和风险。通过液滴撞壁试验,分析了不同条件下推进剂液膜发展的规律和机理:一旦壁面温度达到了莱登弗斯特温度以后,液滴与壁面的换热能力将大幅下降,严重影响液膜冷却的效率。通过Amesim软件进行的传热仿真进一步表明,一旦因为热回浸现象导致雾化液滴与涂层壁面的作用机制发生变化,进而影响冷却液膜的形成,就会使推力器的温度分布从正常的第一稳态进入无液膜的第二高温稳态。仿真结果基本复现了热稳定性试验中出现的故障模式。针对该故障机理改进了喷注器的结构导热性,将喷注器的花篮连接结构的导热面积增加了1.5倍,可以有效分担液膜的热流负担,抑制液膜进入莱登弗斯特态,使得推力器的脉冲工作可靠性大幅提高,令温度稳定性试验的通过率提升至100%。     

考虑气体扩散渗透的隔热材料瞬态隔热性能数值模拟

高超声速飞行器机动飞行时环境压力变化导致隔热材料沿厚度方向存在压力梯度,进而引起隔
热材料内气体的扩散渗透,影响隔热材料隔热性能。为研究气体扩散渗透对隔热材料隔热性能的影响,建立了
隔热材料内气体扩散渗透模型,采用罗斯兰德近似、有限体积法建立了隔热材料内扩散渗透及辐射导热传热计
算模型,对气体扩散渗透条件下的瞬态隔热性能进行了数值模拟。算例模拟结果表明:对2 cm 厚纳米隔热材
料,在外界气压为0. 1 MPa,绝热面为真空的状况下,当渗透率大于10-14 m2 时,气体扩散渗透开始影响隔热材
料内传热,导致隔热性能降低,气体黏性系数对气体扩散渗透有显著影响,随着黏性系数降低,气体扩散渗流现
象显著;衰减系数对绝热面温度响应有显著影响,随着衰减系数增大,绝热面温度响应显著降低。     

热防护系统高温纤维隔热毡传热及有效热导率分析

针对重复使用运载器热防护系统纤维隔热毡内部导热和辐射的耦合换热问题进行了分析,应用有限差分法建立了纤维隔热毡的数值分析模型.通过数值求解传热方程,计算了稳态的有效热导率.计算结果表明辐射和气体传导是纤维隔热毡内的主要传热方式,辐射作用随压力和试样密度的增加而降低,在试样温度高的一侧辐射是主要的传热方式,而在温度低的一侧气体传导为主要的传热方式;试样的有效热导率随纤维的平均直径、压力和温差的增加而增加,随试样密度的增加而降低.本文的计算结果与文献中的实验结果吻合较好,可以为纤维隔热毡及热防护系统的优化设计提供理论参考.     

粘结剂对石墨材料的物理性能及微观结构影响的研究

用煅烧石油焦和煤焦油为基本原料,采用热压工艺制备了几种石墨材料。考察了粘结剂对石墨材料传导性能的影响。实验结果和微观结构分析表明,在相同工艺条件下,采用喹啉不溶物（QI）含量适中（5．2％,质量分数）的沥青作粘结剂,有利于石墨微晶的发育和排列,使石墨材料的传导性能得到提高,而采用QI含量过多或过少的沥青作粘结剂,都不利于石墨材料的传导性能。     

真空绝热板的研究进展

综述了真空绝热板(VIP)的超高效绝热性能,介绍了VIP的选材和研究现状,提出了存在问题及对VIP的应用进行了展望.     

多孔陶瓷等效导热系数的近似计算

提出了一个近似计算多孔陶瓷等效导效系数的公式。该公式综合考虑了孔隙大小,孔隙度以及气相辐射与导热的影响,可用于在任意温度下具有任意孔隙度的多孔陶瓷的等效导热系数的计算,用文献数据检验表明,该公式在高温区有较高的计算精度。     

定向高导热碳材料及其热管理结构设计

针对高超声速飞行器的特点,分析了热防护系统中应用高导热材料实现热管理的必要性。通过对碳材料石墨片层结构的热传导机理及其各向异性特征进行分析和讨论,提出了利用高导热碳材料进行疏导式热管理的思路,并根据碳材料的结构特点设计了几种可能的热管理结构模型。     

高导热C/ C 复合材料的发展现状

高导热C/ C 复合材料具有高热导率、低密度、低热胀系数和高温下高强度等性能,成为近年来最
具发展前景的散热材料之一。本文综述了国内外高导热C/ C 复合材料的发展现状,分析了C/ C 复合材料的热
物理性能及影响其热导率的因素,介绍了C/ C 复合材料的导热机理、碳纤维、基体炭的导热性能,以及高导热
C/ C 复合材料的制备和改性等。     

导热增强型相变材料温控试验

为满足高超声速飞行器舱内温度要求,提出了在舵轴热短路区域使用相变材料进行热耗散的方案.通过开展导热增强型相变材料温控试验,获得了不同试验方案对舵轴及周围金属壳体的降温效果.结果表明,导热增强型相变材料由于良好的导热性能,能够很好地发挥相变吸热能力,对降低舵轴热短路区域的局部高温具有显著效果;金属壳体内、外同时使用低温和中温相变装置,能够将舵轴周围金属壳体温度控制在允许工作温度范围内(150℃).本研究可为飞行器舵轴温控设计提供指导.