纳米隔热材料热辐射特性的理论计算

高温下纳米隔热材料内热辐射的影响将显著增强,其热辐射特性对热辐射传热有很大影响。为了认识高温纳米隔热材料的热辐射特性,采用Mie理论建立了掺杂纤维增韧剂和遮光剂的纳米隔热材料热辐射特性理论计算方法,编写了纳米隔热材料热辐射特性计算程序,对某纳米隔热材料的热辐射特性进行了理论研究,得到了光谱衰减系数、光谱散射反照率以及全光谱平均辐射特性参数及散射相函数。理论模拟结果表明:在3～9.5μm波长范围内,纳米隔热材料对热辐射具有强烈的衰减作用,对3～7μm的热辐射呈现强烈的散射特征,对7～9.5μm的热辐射,随波长增大散射特征逐渐减弱,对9.5μm的热辐射呈现较强的吸收特征。在300～1 300 K,该纳米隔热材料全光谱平均衰减系数>5×104 m-1,平均散射反照率>0.96,具有较强的前向散射特征,这些特征来源于遮光剂粒子,增韧剂影响很小。     

气凝胶中遮光剂的辐射特性计算及优化设计

以TiO2 微米颗粒为例,计算了不同形状遮光剂颗粒的光学特性,表征形状、尺寸对颗粒光学特性
的影响,并考虑实际遮光剂颗粒的粒径分布,计算了不同形状颗粒的平均光学特性。为满足工程需要,针对球
形遮光剂,给出了粒径服从对数正态分布律时使材料高温下辐射热导率最小的遮光剂参数优化设计,由此可使
1 300 K 下遮光气凝胶的辐射热导率降低至纯气凝胶的1/10 左右。     

锆英石对纳米SiO2多孔绝热材料绝热性能的影响

降低红外辐射传热是解决纳米SiO2多孔绝热材料高温绝热性能差的关键。本文探讨了锆英石作为红外遮光剂对纳米SiO2多孔绝热材料绝热性能的影响。结果表明:微米级锆英石的引入,可大幅降低红外辐射传热,显著提高材料高温绝热性能,当掺加35%锆英石时,可将材料500℃时热导率从0.119W/(m·K)降低至0.053W/(m·K)。同时对锆英石的红外遮光机理进行了探讨和分析。     

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.     

微米尺度结构特征对纳米材料热导率的影响

构建了包含纤维和遮光剂等功能添加物以及裂缝等非均匀结构的理想结构单元,采用等效电路的分析方法,计算了复合型隔热材料的等效热导率.通过参数计算分析,讨论了纤维和遮光剂等功能添加物以及裂缝等非均匀结构对纳米孔高效隔热材料隔热性能的影响规律.计算结果表明,纤维和遮光剂颗粒的添加,提高了材料的固相热导率,但由于遮光荆颗粒能够有效的抑制材料的高温辐射,故存在最佳的添加比率(本文为30%);纤维的排布方向以及裂缝的大小,均对材料的隔热性能有较大的影响.     

SiC作为纳米SiO2多孔绝热材料红外遮光剂的试验研究

中高温环境下纳米SiO2多孔绝热材料对红外热辐射近于透明,而导致其绝热性能变差.针对这一问题,将SiC微粉作为红外遮光剂引入绝热材料中,测定了不同粒度和掺加量试样的有效消光系数.结果发现,在波长为2.5～7.0μm红外辐射波段,SiC微粉的引入能使材料有效消光系数大幅提高.无遮光剂试样的有效消光系数为1.9～12.6 m2/kg,而加入质量分数25%中位粒径3.029μm的SiC微粉(SiC03)后,试样有效消光系数达到52.7～58.8 m2/kg.背温试验结果证明了纳米SiO2多孔绝热材料中引入SiC后,其隔热性能得到明显改善.