文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123520
有序纤维增强气凝胶隔热复合材料
的有效热导率模型基金项目:国家自然科学基金(50906014);教育部科学技术研究重点项目(211130);广州市“羊城学者”科研项目(10A038G)
通讯作者:吴会军(1978-),男,博士,研究员,主要从事微纳米隔热材料、建筑节能方面的研究。
彭程1, 吴会军1,2, 丁云飞1,2, 王沫然3
(1. 广州大学土木工程学院,广东广州 510006;
2. 广州大学广东省建筑节能与应用技术重点实验室,广东广州 510006
3. 清华大学航空学院,广东广州,100084)
(Tel: **********;Email: ******@.cn)
摘要:基于纤维-气凝胶单元体模型,采用Rosseland扩散方程和等效热阻法建立了多层定向纤维增强气凝胶复合材料的有效热导率模型,模型计算结果与实验测试数据进行了对比,对于纤维单方向排列增强气凝胶复合材料,%、%%。采用有效热导率模型研究了纤维体积分数、纤维层数和间距以及温度对复合材料各方向有效导热率的影响,研究结果表明纤维排列方向和体积分数对多层纤维-气凝胶复合材料的有效热导率影响明显,可为纤维增强气凝胶复合材料的结构设计和性能优化提供借鉴。
关键词:有序纤维;气凝胶;有效热导率;隔热;增强
0 引言
气凝胶被认为是目前质量最轻、隔热性能最好且具有广阔应用前景的新型材料[1,2]。但是大多数气凝胶强度低、脆性大,限制了其推广和应用。将气凝胶与纤维复合可以制备具有一定强度的复合型纳米孔超级隔热材料[3],但是纤维增强体的热导率和辐射特性、纤维的尺寸和分布都会影响复合材料的力学性能和热物理性能,陆规、段远源[4]等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,结果表明增强纤维增大了复合材料固相热导率,但也抑制材料的辐射热传递,而且纤维的排布方向对复合材料隔热性能有较大的影响。赵俊杰等[5]建立了基于光学厚的导热与辐射耦合的传热模型,研究了纤维种类对气凝胶-纤维复合材料热性能的影响规律。高庆福[6]采用等效热阻法建立了气凝胶隔热复合材料传热模型,获得了复合材料有效热导率的计算公式。
目前,对于纤维增强气凝胶复合材料传热模型的理论研究主要集中在纤维增强体在气凝胶为杂乱分布,而增强纤维的杂乱分布会使纤维间相互接触而产生“热桥”效应,影响了气凝胶复合材料的隔热性能。廖云丹等[7,8]以多层定向玻璃纤维为增强体,采用不同的定向纤维铺层设计方式,实验制备出纤维排列可控的气凝胶复合材料,发现纤维排列和铺层方式对复合材料的力学性能和热物理性能均有很大的影响。但对于有序纤维增强气凝胶复合材料的传热模型尚未见文献报道,
本文基于单元体导热模型和等效热阻法,建立多层有序纤维增强气凝胶隔热复合材料的有效热导率模型,研究纤维排列方向和铺层方式对气凝胶复合材料的影响。
1复合材料传热模型的建立
纤维的加入不仅提高了材料的力学性能,当纤维与气凝胶复合后,材料的微观结构及传热方式发生了改变。并且纤维的加入对辐射具有较强的散射和吸收作用,能增大材料的整体消光系数,从而抑制辐射传热。
纤维增强气凝胶隔热复合材料可视作光学厚,基于Rosseland扩散的材料有效热导率为[9]:
(1)
式中:为复合材料的有效热导率,为复合材料的导热热导率,为复合材料的辐射热导率。
为了简化传热模型,做出以下假设:
(1)纤维在气凝胶中的排列均为定向水平排列,每层纤维内部及单层纤维之间均由气凝胶隔开,接触方式简化为纤维-气凝胶-纤维接触,且层内纤维间距保持一致;
(2)纤维增强气凝胶复合材料在干燥过程中的收缩忽略不计,纤维加入到气凝胶中不发生化学反应;
(3)纤维的表面被气凝胶完全包裹;
(4)纤维增强气凝胶复合材料为整块状,不同纤维排列和铺层方式下的复合材料厚度相同。
尽管有序纤维增强气凝胶复合材料的内部结构随纤维间距、层数及相对排列存在差异,但每根纤维只影响围绕它周围的小区域,基于复合材料单元体导热模型,采用等效热阻建立复合材料的导热模型。
以四层纤维为例,纤维排列方式如图1所示,其导热单元体如图2所示[10]。
图1四层纤维增强气凝胶复合材料示意图图2气凝胶复合材料的导热单元体
Heat flow direction posite Heat transfer unit posite
由于纤维是等距离规则排列,定义其在复合材料中的体积分数为:
(2)
式中:为纤维截