硅氣凝膠保溫材料的絕熱機(jī)理研究

孫登科

摘 要：硅氣凝膠是目前質(zhì)量最輕的固體材料，俗稱(chēng)固體煙。其獨(dú)特的納米孔三維骨架結(jié)構(gòu)使其在絕熱保溫領(lǐng)域性能卓越。本文以熱量傳遞的三大途徑入手，分析研究了硅氣凝膠保溫材料在氣相絕熱、固相絕熱和輻射絕熱方面的絕熱機(jī)理，氣相絕熱方面硅氣凝膠的納米孔阻隔了氣體分子的碰撞傳熱；固相絕熱方面硅氣凝膠極低的密度使得固相絕熱性能優(yōu)異；輻射絕熱方面通過(guò)提高硅氣凝膠的消光系數(shù)可以提高其高溫輻射絕熱性能。經(jīng)過(guò)本文研究為進(jìn)一步提高硅氣凝膠綜合絕熱性能奠定理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：硅氣凝膠 絕熱 保溫材料

中圖分類(lèi)號(hào)：TB3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）02（b）-0000-00

熱量的傳遞可以通過(guò)氣相傳熱、固相傳熱和輻射傳熱來(lái)實(shí)現(xiàn)，一般多孔材料通過(guò)隔絕氣相傳熱來(lái)達(dá)到保溫效果，硅氣凝膠憑借其納米級(jí)的多孔性質(zhì)在氣相傳熱方面有著超級(jí)的絕熱性能。同時(shí)其極低的密度也決定了它在固相傳熱中優(yōu)異的性能表現(xiàn)。對(duì)于輻射傳熱方面其絕熱性能可以通過(guò)增加對(duì)紅外輻射具有阻隔作用的遮光劑來(lái)?yè)诫s改性提高[1]。

1 氣相絕熱

硅氣凝膠在氣相絕熱方面的優(yōu)勢(shì)在于其獨(dú)特的納米級(jí)孔穴結(jié)構(gòu)，通過(guò)納米孔來(lái)阻隔空氣對(duì)流引起的熱量傳遞。一般多孔材料的氣相絕熱原理主要是降低氣體間碰撞的頻率從而降低氣體對(duì)流產(chǎn)生的熱量傳遞[2]，具體公式如（1-1）

（1-1）

其中 —— 材料氣孔內(nèi)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)[W/（m·K）]；——與氣孔內(nèi)氣體有關(guān)的常數(shù)；Kn——Knudsen系數(shù)，一個(gè)物理量，用來(lái)標(biāo)定氣孔內(nèi)氣體流態(tài)，一般表示為：

（1-2）

——?dú)怏w分子平均自由程（m）；—— 材料的平均孔徑（m）。

通過(guò)以上表達(dá)式我們可以看出，如果當(dāng)Kn >>1時(shí)，材料的氣相導(dǎo)熱系數(shù)極低，氣相絕熱性能優(yōu)異。而且當(dāng)材料內(nèi)部孔隙足夠小的情況下，即小于空氣中氮?dú)夂脱鯕獾姆肿悠骄杂沙虝r(shí)，空氣分子將幾乎無(wú)法碰撞傳遞熱量。然而硅氣凝膠的平均孔徑在50個(gè)納米以?xún)?nèi)[3]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于空子分子平均自由程70納米。因此硅氣凝膠氣相絕熱性能優(yōu)異。

2 固相絕熱

對(duì)于熱量傳遞的另一大主要途徑就是固相傳熱，硅氣凝膠材料本身的骨架結(jié)構(gòu)是由硅-氧原子相連組成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)形成的極高的孔隙率大大增加了熱量在骨架內(nèi)的傳遞路徑從而提高了其固相絕熱。同時(shí)硅氣凝膠固相絕熱性能和其密度關(guān)系密切，具體公式如下：

（1-3）

其中 ——基體材料的導(dǎo)熱系數(shù)[W/（m·K）]；，—— 硅氣凝膠的實(shí)際密度、骨架密度（kg/m3）；，—— 硅氣凝膠實(shí)際密度和骨架密度對(duì)應(yīng)的縱向聲速，其中的數(shù)值可以根據(jù)熱量傳遞時(shí)網(wǎng)絡(luò)骨架中聲子的振動(dòng)頻率進(jìn)行估算。上式 對(duì)于硅氣凝膠來(lái)說(shuō)是固定的常數(shù)記為C，因此可將公式（1-3）寫(xiě)成=C，其中聲速v由硅氣凝膠材料的骨架密度決定。所以硅氣凝膠的固相傳熱公式還可以改寫(xiě)成只與密度相關(guān)的表達(dá)式如（1-4）

（1-4）

其中 ——可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的系數(shù)。

由上式可以看出硅氣凝膠固相傳熱與其密度息息相關(guān)，然而硅氣凝膠號(hào)稱(chēng)最輕的固體材料，俗稱(chēng)固體煙。因此其固相絕熱性能優(yōu)異。

3 輻射絕熱

當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，除了對(duì)流和固相傳熱外輻射傳熱將處于主導(dǎo)地位。輻射傳熱不同于對(duì)流和固相傳熱，這種傳熱方式不需要?dú)怏w分子碰撞或固相材料接觸。其主要通過(guò)紅外線輻射傳遞熱量，具體公式如下：

（1-5）

其中：——有效折射系數(shù)，對(duì)于硅氣凝膠來(lái)說(shuō)約為1；——硅氣凝膠的實(shí)際密度 （kg/m3）；——Stephen-Boltzmann常數(shù)，其數(shù)值為5.67×10-8 [W/（m2K4）]；——平均溫度（℃）；——硅氣凝膠的消光系數(shù)（m2/kg）。

由公式（1-5）我們可以看出，硅氣凝膠材料在輻射傳熱方面受溫度影響程度大，而且消光系數(shù)對(duì)硅氣凝膠的輻射絕熱起到重要作用，消光系數(shù)增加時(shí)輻射導(dǎo)熱系數(shù)下降。因此通過(guò)提高硅氣凝膠的消光系數(shù)可以提高其高溫輻射絕熱性能。

由Beer定律可知，一般情況下材料的消光系數(shù)與材料在一定條件下紅外透過(guò)率相關(guān)，其公式如下：

（1-6）

其中 I/I0——紅外線透過(guò)率；I0——入射光強(qiáng)度；I——透射光強(qiáng)度；

l——光物質(zhì)的距離（m）；——材料的消光系數(shù)（m2/kg）；c——被檢測(cè)材料的濃度（g/cm3）。

由公式（1-6）可以知道，通過(guò)測(cè)出材料的紅外透過(guò)率即可算出材料的消光系數(shù)因此我們只要測(cè)得硅氣凝膠的紅外透過(guò)率即可得出其消光系數(shù)，本實(shí)驗(yàn)采用傅立葉紅外光譜儀來(lái)進(jìn)行硅氣凝膠紅外透過(guò)率的測(cè)量。從而得出材料的紅外消光系數(shù)，進(jìn)而計(jì)算其紅外輻射絕熱性能。

4 結(jié)語(yǔ)

以上從熱量傳遞的三大途徑對(duì)硅氣凝膠的絕熱機(jī)理進(jìn)行了分析研究，對(duì)于進(jìn)一步提高硅氣凝膠的綜合絕熱性能奠定了理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[]封金鵬，陳德平，楊淑勤， 倪文，胡子君. SiC作為納米SiO2多孔絕熱材料紅外遮光劑的試驗(yàn)研究[J].宇航材料工藝，2009，（01）：123-124.

[2]馮堅(jiān)，高慶福，馮軍宗，姜勇剛. 纖維增強(qiáng)SiO2氣凝膠隔熱復(fù)合材料的制備及其性能[J]. 國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，（01）：234-239.

[3]梁慶宣.水鎂石纖維增強(qiáng)SiO2氣凝膠超級(jí)絕熱材料研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)碩，2006.