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:123633
纳米多孔材料中气相热导率
的影响因素研究*本文受国家自然科学重点基金(51136004)和国家自然科学基金(51276138)的资助
张虎,李增耀,丹聃,李云汉,杜慕,陶文铨
(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)
(Tel:029-82669106 Email: ******@.)
摘要:纳米多孔材料中的传热具有明显的纳米尺度效应,使得气凝胶等纳米多孔材料具有优异的隔热性能。本文对自由空间和多孔介质内气相热导率进行了理论研究,并基于瞬态平面热源法搭建了热导率测试平台,~1Mpa范围内材料等效热导率的准确测试。实验研究了温度、压力、气氛和孔隙率对纳米多孔材料等效热导率的影响规律,并剥离获得了气相导热对纳米多孔材料等效热导率的贡献。结果表明:实验剥离的纳米多孔材料中气相导热的贡献要高于纳米多孔材料中的气相热导率,压力越高,差别越大,证实了将实验剥离的气相导热的贡献与气相热导率对比来验证和改进气相热导率理论是不恰当的;纳米多孔材料填充氩气气氛后的等效热导率要显著低于填充氮气气氛的热导率;纳米多孔材料中微米孔隙的存在会显著提高气相热导率及气相导热的贡献;不同压力下的等效热导率测试需要采取从低压到高压的顺序进行,以避免纳米多孔材料吸脱附时回滞环的影响。
关键词:纳米多孔材料;气相热导率;气相导热贡献;影响因素
0 引言
气凝胶是一种经过溶胶-凝聚-超临界干燥制取的典型纳米多孔材料,具有较高的孔隙率(~99%),极低的密度(3~150kg/m3)、极高的比表面积(~1300m2/g)和高度复杂的空间结构,在光学、热学、声学、催化等方面具有独特的性质,近年来得到了广泛的应用[1]。气凝胶等纳米多孔材料中的传热包括固相导热、气相导热、气体对流和辐射传热,骨架(纳米颗粒)和孔隙尺寸均为纳米量级,与分子、声子、光子等能量载流子的传热特征尺寸处于同一量级甚至更低,因此其传热特性具有明显的纳米尺度效应[2]。具体表现在:(1)零对流效应:材料孔径尺寸为几纳米至几十纳米,研究发现在小于1mm的孔隙中的气体对流效应可以忽略[3];(2)长路径效应:气凝胶纳米孔隙结构的存在使得固相传热的路径比普通绝热材料大大延长,传热表现出长路径效应;(3)无穷多遮热板效应:丰富的比表面积和气-固界面使得热辐射通过每一层界面会不断经历反射、吸收、投射和再辐射,相当于热辐射的传播路径上设置了无穷多的遮热板。纳米多孔材料传热过程中的这些纳米尺度效应,使得气凝胶及其复合材料具有优良的隔热性能,常作为超级隔热材料使用。
由于纳米孔隙内的气相热导率与自由空间相比显著降低,·K,低于常温常压下静止空气的热导率。纳米多孔材料气相热导率的影响因素有两大类:环境因素和材料结构,环境因素主要有气氛种类、温度和压力,材料结构主要体现在多孔材料的孔隙率和平均孔径。研究这些因素对纳米多孔材料中气相热导率的影响规律,可为纳米多孔材料等效结构模型、隔热性能预测和优化设计提供依据。
1 等效热导率理论
对气相热导率的分析,目前广泛采用Kaganer 模型[3],两平行平板间的气体热导率为:
(1)
式中,为自由空