一种复杂使用环境下气凝胶类纳米多孔复合隔热材料等效热导率快速预测方法技术

一种复杂使用环境下气凝胶类纳米多孔复合隔热材料等效热导率快速预测方法，建立了可扩充的计算对象基本参数数据库；将气凝胶类纳米多孔复合隔热材料按照材料内部结构特征尺度的不同，分为纳米尺度结构及微米尺度结构的多尺度典型结构；先计算得到纳米尺度结构干燥状态下的等效热导率，同时针对复杂使用环境中环境湿度导致的材料吸潮特点，建立了考虑含湿的分形交叉球杆‑非均匀水膜等效结构模型；对微米尺度结构，以纳米尺度典型结构的等效热导率计算结果为基础，实现了气凝胶类纳米多孔复合隔热材料多尺度传热及等效热导率的理论预测；本发明专利技术可有效实现气凝胶类纳米多孔复合隔热材料等效热导率的准确预测。

A fast prediction method for equivalent thermal conductivity of aerogel based nano porous composite insulation materials under complex use environment

A rapid prediction method of equivalent thermal conductivity of aerogel based nano porous composite insulation materials under complex use environment is established. An extended database of basic parameters of the calculation object is established. The aerogel nano porous composite insulation materials are divided into nanometer scale structure and multi-scale typical structure of micron scale structure according to the internal structure characteristic scale of the material. Based on the equivalent thermal conductivity of the scale structure under dry condition, and considering the moisture absorption characteristics of materials in complex use environment, an equivalent structure model of fractal cross bar with wetting fractal dimension is established. Based on the results of the equivalent thermal conductivity of nano scale typical structure, the aerogel nano porous composite insulation material is realized. Theoretical prediction of multi-scale heat transfer and equivalent thermal conductivity; the invention can effectively predict the equivalent thermal conductivity of aerogel nano porous composite insulation materials accurately.

【技术实现步骤摘要】
一种复杂使用环境下气凝胶类纳米多孔复合隔热材料等效热导率快速预测方法
本专利技术属于新型气凝胶类复合材料热物性参数研究
，特别涉及一种复杂使用环境下气凝胶类纳米多孔复合隔热材料等效热导率快速预测方法。
技术介绍
进入21世纪以来，高科技的飞速发展对高性能材料的要求越来越高，特别是航空、航天及空间技术等高新技术的发展对隔热材料不断提出新的要求。而许多传统的隔热材料已不再适合这些领域的要求。因此，利用纳米技术研制新型的超级隔热材料以及多功能复合型隔热材料已成为隔热材料发展的主要趋势。气凝胶材料是一种由纳米量级的胶体粒子相互聚集而形成纳米多孔网络结构的新型材料。由于其特殊的纳米尺度结构，显著降低了气凝胶材料的气相导热、固相导热等热量传递方式，因而气凝胶具有极低的热导率(常温热导率低于空气)，并被视作可应用于航空航天、建筑环境等各种领域的、极具潜力的超级隔热材料。气凝胶具有纳米级的颗粒骨架(2～5nm)和孔径尺寸(～20nm)，这些纳米尺度对于材料内部的气相、固相以及辐射传热均具有显著影响，其内部存在的尺寸效应、界面效应以及近场辐射效应使得气凝胶隔热材料的传热分析十分复杂。同时，气凝胶的低密度、高孔隙率导致其力学性能较差，气凝胶强度低、脆性大；气凝胶对波长为3～8m的近红外具有较强的透过性，致使二氧化硅气凝胶在高温下遮挡红外辐射能力较差，热导率上升较快，高温隔热效果还有待改善。这两方面缺点促使人们通过向气凝胶中引入增强纤维以及遮光剂来制备满足使用要求的气凝胶复合材料。增强纤维及遮光剂的引入也使得气凝胶内部的传热分析变的更为复杂。同时由于气凝胶材料表面存在的亲水性羟基团以及材料内部存在大量的微纳孔隙，导致材料在温湿环境中有较强的吸潮特性。吸湿后气凝胶的热导率显著增加，相关实验表明，室温条件下相对湿度90％时未进行表面改性处理的含湿气凝胶材料的热导率相比干燥状态下的热导率增长超过100％，材料隔热性能恶化。因此需要研究不同含湿条件下气凝胶材料的等效热导率变化规律，为材料在不同复杂使用环境中的应用提供指导。传统的基于经验关联式，或基于规则结构单元模型所建立的气凝胶材料等效热导率计算模型存在适用范围窄、预测精度低、与影响材料等效热导率的各因素之间的机理关联性不强。传统的多孔介质含湿热导率理论模型亦无法准确预测气凝胶材料在含湿状态下的等效热导率。在将气凝胶隔热材料应用于实际的热防护系统当中，出现了热导率预测偏差大、材料体系设计失效等一系列问题。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种复杂使用环境下气凝胶类纳米多孔复合隔热材料等效热导率快速预测方法，采用分级建模-逐级计算的思想，针对气凝胶类纳米多孔复合隔热材料在不同复杂使用环境中等效热导率进行理论预测计算，提高了气凝胶类隔热材料等效热导率的预测精度，可有效实现气凝胶类纳米多孔复合隔热材料等效热导率的快速/准确预测。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种复杂使用环境下气凝胶类纳米多孔复合隔热材料等效热导率快速预测方法，包括如下步骤：1)对气凝胶类纳米多孔复合隔热材料，建立可扩充的计算对象基本参数数据库，数据库包括气凝胶基体材料，不同环境气氛下的气相组分，不同遮光剂颗粒材料以及不同增强纤维材料；2)将气凝胶类纳米多孔复合隔热材料按照材料内部结构特征尺度的不同，分为纳米尺度结构及微米尺度结构的多尺度典型结构；3)对纳米尺度结构，分别采用尺寸修正的气相、固相、辐射传热模型，并在考虑界面效应及耦合效应基础上，计算得到纳米尺度典型结构的干燥状态的等效热导率；同时，针对复杂使用环境中环境湿度导致的材料吸潮特点，从表面物理理论出发分析孔隙内水膜凝结的尺度特征、形貌特点，在干燥模型基础上建立考虑含湿的分形交叉球杆-非均匀水膜等效结构模型，用于计算含湿状态下气凝胶类材料的等效热导率；4)对微米尺度结构，以纳米尺度结构的等效热导率计算结果为基础，以等效介质理论及Mie辐射散射理论为基本方法，综合考虑复合材料中的功能添加物对于材料辐射导热耦合传热的影响，实现气凝胶类纳米多孔复合隔热材料多尺度传热及等效热导率的理论预测。所述气凝胶基体材料包括炭气凝胶、SiO2气凝胶和Al2O3气凝胶，气相组分包括空气、N2、He和Ar，遮光剂颗粒材料包括TiO2和SiC，增强纤维材料包括石英纤维、SiC纤维、汽车硅玻璃纤维、常用浮法玻璃纤维、钠钙玻璃纤维和硼硅玻璃纤维，可扩充的计算对象基本参数数据库主要通过VB6.0可视化编程语言完成。所述步骤2)中，通过表征测量手段，对气凝胶类纳米多孔复合隔热材料的微观结构形貌、孔径分布、比表面积、孔隙率、功能添加物结构、含量以及分布参数进行表征测量，并基于各自的特征尺度进行不同尺度结构划分、模型重构。所述表征测量手段为高分辨率的透射电镜、扫描电镜、氮气吸附或压汞法。所述步骤2)中，采用气相模型对气相热导率进行尺寸效应修正，采用Chen模型对固相热导率进行修正，界面效应的影响则在颗粒与颗粒的接触界面处的接触热阻中进行反映，同时基于分形理论所提出的分形交叉球杆模型，对纳米尺度的气凝胶基体材料的等效导热热导率进行了计算，其中考虑二级分形结构时其计算式为：式中，λe1为一级分形结构热导率，λunit_xy和λunit_z为分形交叉球杆模型中基本传热单元的等效热导率：干燥状态下，考虑含湿时，采用颗粒覆盖非均匀水膜等效结构替换干燥状态下的基本传热单元，其计算式为，λunit_xy＝(1+h)×(KⅤ+KⅥ+KⅦ)(5)上述式中，λg为气相修正热导率，λs,secondary为考虑二次颗粒堆积的固相修正热导率，γ、a、h、M、KⅠ～KⅦ为与模型相关结的构参数。考虑纳米尺寸效应后，所述气相热导率修正模型为Kaganer模型、Zeng模型以及双孔径分布模型，所述固相热导率模型为基于Chen模型的考虑二次颗粒堆积的修正模型。所述步骤3)中，将步骤2)计算得到的气凝胶材料纳米尺度典型结构的等效热导率计算结果作为气凝胶基体材料的等效热导率，采用多步混合连续计算的方法，基于等效介质理论对含有功能添加物的复合材料导热热导率进行计算：考虑遮光剂颗粒影响时：式中，下标opa表示遮光剂，下标ae表示气凝胶基体，下标c表示导热，α＝λopa/λae,c，为体积分数；考虑增强纤维影响时：式中，下标f表示纤维，α＝λf/λae,c，n＝6为形状因子。所述步骤3)中，通过对Maxwell电磁学方程的求解，并利用Mie辐射散射理论，计算遮光剂颗粒以及增强纤维的辐射衰减系数、吸收系数；辐射衰减系数、吸收系数再次应用于Rossland光学厚近似当中，计算得到材料的辐射热导率，完成并实现气凝胶类纳米多孔复合隔热材料多尺度传热及等效热导率的理论预测，材料的辐射热导率基本计算公式：式中，λrad为辐射热导率，σ为Boltzmann常数，n为环境介质的折射指数，T是材料的平均温度，σeR是材料的Rossland衰减系数，σeR同材料的光谱衰减系数σeλ相关。进一步地，本专利技术可根据热物性输入参数及结构输入参数，构建气凝胶类纳米多孔复合隔热材料等效热导率参数输入输出的图形界面化模块，实现复合隔热材料热导率的界面化计算及结果导出。具体可基于VB6.0可视化编程语言，将气凝胶类隔热材料等效本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复杂使用环境下气凝胶类纳米多孔复合隔热材料等效热导率快速预测方法，其特征在于，包括如下步骤：1)对气凝胶类纳米多孔复合隔热材料，建立可扩充的计算对象基本参数数据库，数据库包括气凝胶基体材料，不同环境气氛下的气相组分，不同遮光剂颗粒材料以及不同增强纤维材料；2)将气凝胶类纳米多孔复合隔热材料按照材料内部结构特征尺度的不同，分为纳米尺度结构及微米尺度结构的多尺度典型结构；3)对纳米尺度结构，分别采用尺寸修正的气相、固相、辐射传热模型，并在考虑界面效应及耦合效应基础上，计算得到纳米尺度典型结构的干燥状态的等效热导率；同时，针对复杂使用环境中环境湿度导致的材料吸潮特点，从表面物理理论出发分析孔隙内水膜凝结的尺度特征、形貌特点，在干燥模型基础上建立考虑含湿的分形交叉球杆‑非均匀水膜等效结构模型，用于计算含湿状态下气凝胶类材料的等效热导率；4)对微米尺度结构，以纳米尺度结构的等效热导率计算结果为基础，以等效介质理论及Mie辐射散射理论为基本方法，综合考虑复合材料中的功能添加物对于材料辐射导热耦合传热的影响，实现气凝胶类纳米多孔复合隔热材料多尺度传热及等效热导率的理论预测。

【技术特征摘要】
1.一种复杂使用环境下气凝胶类纳米多孔复合隔热材料等效热导率快速预测方法，其特征在于，包括如下步骤：1)对气凝胶类纳米多孔复合隔热材料，建立可扩充的计算对象基本参数数据库，数据库包括气凝胶基体材料，不同环境气氛下的气相组分，不同遮光剂颗粒材料以及不同增强纤维材料；2)将气凝胶类纳米多孔复合隔热材料按照材料内部结构特征尺度的不同，分为纳米尺度结构及微米尺度结构的多尺度典型结构；3)对纳米尺度结构，分别采用尺寸修正的气相、固相、辐射传热模型，并在考虑界面效应及耦合效应基础上，计算得到纳米尺度典型结构的干燥状态的等效热导率；同时，针对复杂使用环境中环境湿度导致的材料吸潮特点，从表面物理理论出发分析孔隙内水膜凝结的尺度特征、形貌特点，在干燥模型基础上建立考虑含湿的分形交叉球杆-非均匀水膜等效结构模型，用于计算含湿状态下气凝胶类材料的等效热导率；4)对微米尺度结构，以纳米尺度结构的等效热导率计算结果为基础，以等效介质理论及Mie辐射散射理论为基本方法，综合考虑复合材料中的功能添加物对于材料辐射导热耦合传热的影响，实现气凝胶类纳米多孔复合隔热材料多尺度传热及等效热导率的理论预测。2.根据权利要求1所述复杂使用环境下气凝胶类纳米多孔复合隔热材料等效热导率快速预测方法，其特征在于，所述气凝胶基体材料包括炭气凝胶、SiO2气凝胶和Al2O3气凝胶，气相组分包括空气、N2、He和Ar，遮光剂颗粒材料包括TiO2和SiC，增强纤维材料包括石英纤维、SiC纤维、汽车硅玻璃纤维、常用浮法玻璃纤维、钠钙玻璃纤维和硼硅玻璃纤维，可扩充的计算对象基本参数数据库主要通过VB6.0可视化编程语言完成。3.根据权利要求1所述复杂使用环境下气凝胶类纳米多孔复合隔热材料等效热导率快速预测方法，其特征在于，所述步骤2)中，通过表征测量手段，对气凝胶类纳米多孔复合隔热材料的微观结构形貌、孔径分布、比表面积、孔隙率、功能添加物结构、含量以及分布参数进行表征测量，并基于各自的特征尺度进行不同尺度结构划分、模型重构。4.根据权利要求3所述复杂使用环境下气凝胶类纳米多孔复合隔热材料等效热导率快速预测方法，其特征在于，所述表征测量手段为高分辨率的透射电镜、扫描电镜、氮气吸附或压汞法。5.根据权利要求1所述复杂使用环境下气凝胶类纳米多孔复合隔热材料等效热导率快速预测方法，其特征在于，所述步骤2)中，采用气相模型对气相热导率进行尺寸效应修正，采用Chen模型对固相热导率进行修正，界面效应的影响则在颗粒与颗粒的接触界面处的接触热阻中进行反映，同时基于分形理论所提出的分形交叉球杆模型，对纳米尺度的气凝胶基体材料的等效导热热导率进行了计算，其中考虑二级分形结构时其计算式为：式中，λe1为一级分形结构热导率，λunit_xy和λunit_z为分形交叉球...

【专利技术属性】
技术研发人员：何雅玲，陈宇，谢涛，李冬，童自翔，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61