真空绝热板用复合吸气剂研究

吸气剂是真空绝热板(Vacuum insulation panel,VIP)的重要组件之一,尤其是对于玻璃纤维芯材与有机泡沫芯材不可缺少,因为这些芯材的VIP导热系数对压力变化比较敏感。本文以玻璃纤维芯材的VIP为研究背景,通过对板内残余气体成分分析,开发了一种复合型吸气剂,研究了吸气剂的化学组分、制备工艺及性能参数,利用自制系统测试了吸气剂的吸气性能,探讨了吸气剂的吸附过程与吸附机理。将该吸气剂用于玻璃纤维芯材的VIP中,并与未使用吸气剂的VIP进行对比分析,结果表明该吸气剂能够使VIP的初始导热系数更低、使用寿命更长。     

真空绝热板技术的研究现状及发展趋势

首先概述了真空绝热板(Vacuum insulation panel,VIP)芯材、阻隔膜和吸气剂的研究现状,分析了不同芯材、阻隔膜和吸气剂对VIP的绝热性能和使用寿命的影响,并基于VIP的应用要求提出了适用于建筑用VIP的最佳结构,即多层金属(或氧化物)树脂复合阻隔膜包覆超混杂复合芯材和碳基氧化物复合吸气剂的VIP。该VIP不仅具有低热桥、阻气阻氧性能好的优点,还具备耐压、耐折、回弹性低、抗刺穿和耐老化的优良特性,充分发挥了纤维型VIP和颗粒型VIP的优点,同时完美结合了纳米涂层与树脂膜的优势,克服了颗粒型VIP易溃散、纤维型VIP易回弹、金属镀层缺陷大和树脂膜易刺穿的缺点。此外,碳基氧化物复合吸气剂的抗热辐射性能良好,可进一步提高VIP的绝热能力。最后指出研究和开发高性能、低成本的VIP将是未来研究工作的发展方向。     

介观尺度下纤维导热预测及实验研究

在材料内部气压低于100Pa时,玻璃纤维、陶瓷纤维等芯材与泡沫类、粉末类芯材相比,其导热系数最小。为了研究纤维导热性能的影响因素,基于随机参数原理构造纤维的内部结构,结合格子波尔兹曼方法(LatticeBoltzmann method,LBM)分析了纤维直径、纤维长度及孔隙率对于导热系数的影响。然后将模拟结果与实验结果进行对比,结论表明两者吻合性良好,证明本文所采用的方法可以有效地预测纤维导热系数。     

铝合金皱褶芯材夹层板当量导热系数

设计并制作了13个不同几何特征参数的铝合金皱褶芯材夹层板.在一定假设条件下,运用工程软件ANSYS对它们的当量热传导系数进行了数值计算,分析了V-型皱褶芯材夹层板几何特征参数对其基本热传导性能的影响.同时,进行了当量热传导系数的实验测定,通过对比分析,验证了数值计算结果.给出了常温下皱褶芯材夹层板的当量热传导系数随皱褶板几何特征参数的变化关系,为皱褶芯材夹层板在航空航天隔热防热结构中的应用提供了参考依据.     

数字图像相关方法在土木测试领域中的实验研究

针对传统接触式测试方法(如电测法等)在土木工程领域中的局限性,开展了数字图像相关(Digital image correlation,DIC)方法在该测试领域的应用研究.采用橡胶带的拉伸实验来验证DIC方法的测量精度,具体的实验测试内容包括:基于空域和频域相结合的混合相关法,开展了建筑膜材的双轴拉伸实验,测量了膜材的力学参数;基于仿射变换的相关迭代法,开展了钢管混凝土框架梁柱连接模型的转角测量与分析实验,测量了加强环式连接的弯矩转角关系;基于时间序列DIC和高速摄影成像技术,开展了自由振动状态下拉索模型的动力学参数识别的实验研究.实验结果验证了这一新型检测手段用于测试建筑材料及结构的力学性能的可靠性与精度.     

M-型皱褶芯材弹性常数的细观力学模型

研究了皱褶芯材的几何特征和承力特性，给出了其当量弹性常数求解的细观力学模型。该模型采用材料力学的方法推导出了M-型皱褶芯材的当量密度ρ、当量线弹性模量Ez和当量剪切模量Gyz，为皱褶夹芯结构的优化设计和皱褶芯材夹芯板的力学性能计算奠定了基础。     

龙虱吸盘超微结构与吸附能力研究

雄性龙虱的前足为抱握足,依靠附节上的吸盘产生吸附力以挟持雌虫完成交配。本文采用扫描电镜(SEM)研究东方龙虱吸盘的超微结构,包括微吸盘、吸管、刚毛等,发现微吸盘的几何形状独特,形似人足。利用生物信号采集处理系统,分别测试了龙虱吸盘在玻璃和龙虱鞘翅表面上的吸附能力。体重1.2 g的龙虱吸盘吸附在玻璃面时,法向和切向吸附力平均值分别为43.2 mN和109.1 mN,最大值分别为97.2 mN和156 mN;吸附在鞘翅表面时测得最大切向吸附力约213 mN,相当于昆虫自身体重的17倍。     

纤维多孔介质介观尺度结构对其真空绝热性能的影响

纤维多孔介质在绝热材料领域的应用广受关注,真空工艺是提升材料绝热性能最为有效的方法。本文研究了真空条件下介观结构对纤维多孔介质的有效导热系数的影响,改进了已有纤维随机结构生成方法,运用D_3Q_(19)格子Boltzmann方法对其有效导热系数进行求解。改进的生成方法可明显改善纤维分布,穿插率可降低至3.1%。模拟结果与实验及理论数据具有良好的一致性。结果表明,在1～8μm的区间内,纤维直径越小,纤维多孔介质在真空下的绝热性能越好,对内部真空度的依赖性越低;纤维长度方向与传热方向越不一致,绝热性能越好;在方向角到达90°时,绝热性能最佳。研究工作对真空绝热板纤维芯材的结构设计及优化具有重要意义。     

基于Lattice-Boltzmann方法的多孔介质真空绝热特性

作为真空绝热板的芯材,多孔介质微尺度空间形貌结构及物性参数对其绝热性能影响较大。为研究多孔介质真空下的导热性能,选择颗粒状、纤维状和泡沫状3种典型多孔介质材料,并基于Lattice-Boltzmann(LBM)提出了一种随机构造多孔介质物理模型的方法。模型中重要参数结合多孔介质电镜扫描图像处理获取。采用D3Q15LBM模型进行数值模拟,并分析了真空度及颗粒/纤维/泡孔等效直径对导热系数的影响规律。模拟与实验的对比结果揭示了多孔介质真空下的导热系数随真空度及多孔介质物性参数的变化规律。     

高温真空绝热板的制备及性能研究

根据真空绝热原理提出一种可在高温环境下使用的新型高温真空绝热板(High-temperature vacuum insulation panel,HT-VIP)。在多孔碳化硅泡沫芯材表面包覆多层碳纤维布,通过化学气相渗透(Chemical vapor infiltration,CVI)热解碳的方法对外壳碳纤维体进行增密,然后采用聚合物浸渍裂解(Polymer infiltration and pyrolysis,PIP)工艺制备玻璃碳对材料进行致密化处理,最后采用低压化学气相沉积(Chemical vapor deposition,CVD)工艺沉积SiC涂层对材料进行封装,制备出一种具有耐高温、密度低、强度高、低导热以及抗热冲击的新型高温真空绝热复合材料。制备的致密碳纤维增强复合材料,材料内部为真空状态,材料密度为0.81g/cm3,抗压强度为8.75 MPa。当温度为100~900℃时,高温VIP有效热导热系数从0.20 W/mK逐渐增加到1.16 W/mK,比C/C和C/SiC复合材料低一个数量级。