基于LBM方法的真空绝热板复合芯材导热性能研究
发布时间：2020-12-12 12:31
真空绝热板（VIP板）内的纤维-气凝胶复合芯材因具备极低的表观密度和多级微纳尺度的高孔隙分布,在真空状态下具有远低于空气的有效热导率,同时因具备更好的力学性能、防火性能且拥有较长的使用年限,使其成为VIP板材芯材的热选。本文对纤维复合SiO2气凝胶芯材内部的结构形态、纤维尺寸和孔隙分布等参量进行测量分析,获得纤维-气凝胶复合芯材的结构参数。并基于这些参数生成了包含纤维、气凝胶团簇、大孔隙在内的三相随机三维模型;在此模型基础上,采用LBM方法和ADT辐射理论建立了复合芯材有效热导率的计算模型,并对模型进行了计算域简化和并行计算,提高了计算速度;实验检验表面,本文模型计算得到的复合芯材有效热导率准确度较高。论文对生产VIP板涉及的几个关键参量对芯材热导率的影响规律和机理进行了研究。结果表明:随着环境压力的降低,复合芯材的整体有效热导率也跟着急剧下降,这是由于随环境压力的减小,气体分子平均自由程显著增大,分子自由运动逐渐受到纤维间大孔隙壁面的束缚,由此导致复合芯材内的气相热导率显著降低。当降至100Pa以下时,气体分子平均自由程已经超过纤维间大孔隙的尺度,压力再降低也不...
【文章来源】：山东建筑大学山东省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
VIP板内部结构示意图
山东建筑大学硕士学位论文4目前，应用于工程生产的纤维复合气凝胶芯材的种类很多，其中气凝胶有SiO2、Al2O3、TiO2、炭等不同热物属性的材料[14-18]，纤维也有普通玻璃纤维、石棉绒、涤纶和静电纺丝等不同材料组成[19,20]，之后经过特殊加工工艺形成的不同形态和不同结构的复合芯材。将纤维和气凝胶复合的制备工艺就有很多种：例如，传统做法是在玻璃纤维薄层中通过溶胶—凝胶法制备SiO2气凝胶复合隔热材料[21-23]，如图1.3和1.4所示，将一定质量的纤维薄层浸入到凝胶溶液内，后对溶液老化得到复合芯材，这种方法更容易控制各组分的含量，在工业上更为常见；还有一种是利用强力搅拌机混合纤维和凝胶，这种做法一般用于石英短切纤维，因纤维会有分叉结构（如图1.5a）不好用层层铺叠的制备方法完成[24]；而尹正帅等人提出采用将莫来石纤维浸入复合硅溶胶后再对其进行老化干燥的方法制备得到复合芯材[25]，通过这一方法经过疏水改性后获得的复合芯材更不易受潮，材料的高热阻性能也可以维持更长的时间；刘馨月等人利用高长径比的CNF与片层结构的氧化石墨烯形成的CNF-GO复合水凝胶制备出复合水凝胶材料[26]，这种方法可以增强材料的柔韧性和电化学性能。前人对复合芯材的研究除去不同的制备方法、材料组成外，对其应用于建筑领域的各项性能也进行探索：钟支葵等人就复合芯材VIP板的防火性能进行试验，研究表明钢板在复合材料保护下，持续加热一段时间后可以使钢结构依旧远低于软化温度，具有优异的防火和安全性能[27]。图1.3浸入凝胶溶液所用纤维层
山东建筑大学硕士学位论文5图1.4气凝胶复合材料可控制备工艺流程（a）短切纤维搭接处（b）复合芯材图1.5短切纤维气凝胶复合芯材SEM照片有关复合芯材导热性能的研究也有很多，其中主要分为三类：一类是最早1992年提出通过实验测量获得整体有效热导率并建立其与芯材密度之间的关系[28]。这种方法首先将复合芯材的整体有效热导率分为三部分：全部气体组成气相热导率、全部固体组成固相热导率和辐射热导率，之后分别建立这三者同芯材密度之间的关系再相加。这种方法为之后的计算方法提供了一个很
【参考文献】：
期刊论文
[1]用SiO2/TiO2复合气凝胶制备超疏水光催化防紫外线织物[J]. 盛宇,徐丽慧,孟云,沈勇,王黎明,潘虹. 纺织学报. 2019(07)
[2]纤维素纳米纤丝-还原氧化石墨烯/聚苯胺气凝胶柔性电极复合材料的制备与性能[J]. 刘馨月,齐晓俊,管宇鹏,徐阳,刘红霞. 复合材料学报. 2019(07)
[3]中国科大研制出新型隔热防火双网络复合气凝胶[J]. 新型. 化工新型材料. 2018(06)
[4]孔隙分布不均匀性对渗透率影响的MRTLBM法研究[J]. 马斌,史琳,黄超,许强辉. 中国科学院大学学报. 2018(02)
[5]基于Lattice-Boltzmann方法的多孔介质真空绝热特性[J]. 阚安康,吴亦农,徐志峰,张安阔,王为. 南京航空航天大学学报. 2017(01)
[6]多相非牛顿流体驱替过程的格子Boltzmann模拟[J]. 谢驰宇,张建影,王沫然. 计算物理. 2016(02)
[7]全自动比表面积分析仪校准方法及其不确定度评定研究[J]. 高涛,王锐,王耿媛. 计量与测试技术. 2016(01)
[8]玻璃纤维增韧SiO2气凝胶复合材料的制备及隔热性能[J]. 石小靖,张瑞芳,何松,李治,曹卫,程旭东. 硅酸盐学报. 2016(01)
[9]气凝胶超级绝热复合材料对钢结构的防火性能[J]. 钟支葵,葛全伟,吴会军,丁云飞. 新型建筑材料. 2015(11)
[10]基于Lattice-Boltzmann方法的纳米颗粒多孔介质导热特性[J]. 阚安康,康利云,曹丹,王冲. 化工学报. 2015(11)
博士论文
[1]炭气凝胶及其隔热复合材料的制备与性能研究[D]. 冯军宗.国防科学技术大学 2012
硕士论文
[1]粉状SiO2气凝胶热导率计算及变化规律研究[D]. 喻凡.山东建筑大学 2018
[2]玻璃纤维增韧SiO2气凝胶隔热材料制备研究[D]. 石小靖.中国科学技术大学 2016
[3]SiO2气凝胶隔热复合材料的制备及传热性能研究[D]. 彭程.广州大学 2012
[4]纤维增强SiO2气凝胶隔热复合材料的可控制备及性能优化研究[D]. 廖云丹.广州大学 2012
本文编号：2912564
【文章来源】：山东建筑大学山东省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
VIP板内部结构示意图
山东建筑大学硕士学位论文4目前，应用于工程生产的纤维复合气凝胶芯材的种类很多，其中气凝胶有SiO2、Al2O3、TiO2、炭等不同热物属性的材料[14-18]，纤维也有普通玻璃纤维、石棉绒、涤纶和静电纺丝等不同材料组成[19,20]，之后经过特殊加工工艺形成的不同形态和不同结构的复合芯材。将纤维和气凝胶复合的制备工艺就有很多种：例如，传统做法是在玻璃纤维薄层中通过溶胶—凝胶法制备SiO2气凝胶复合隔热材料[21-23]，如图1.3和1.4所示，将一定质量的纤维薄层浸入到凝胶溶液内，后对溶液老化得到复合芯材，这种方法更容易控制各组分的含量，在工业上更为常见；还有一种是利用强力搅拌机混合纤维和凝胶，这种做法一般用于石英短切纤维，因纤维会有分叉结构（如图1.5a）不好用层层铺叠的制备方法完成[24]；而尹正帅等人提出采用将莫来石纤维浸入复合硅溶胶后再对其进行老化干燥的方法制备得到复合芯材[25]，通过这一方法经过疏水改性后获得的复合芯材更不易受潮，材料的高热阻性能也可以维持更长的时间；刘馨月等人利用高长径比的CNF与片层结构的氧化石墨烯形成的CNF-GO复合水凝胶制备出复合水凝胶材料[26]，这种方法可以增强材料的柔韧性和电化学性能。前人对复合芯材的研究除去不同的制备方法、材料组成外，对其应用于建筑领域的各项性能也进行探索：钟支葵等人就复合芯材VIP板的防火性能进行试验，研究表明钢板在复合材料保护下，持续加热一段时间后可以使钢结构依旧远低于软化温度，具有优异的防火和安全性能[27]。图1.3浸入凝胶溶液所用纤维层
山东建筑大学硕士学位论文5图1.4气凝胶复合材料可控制备工艺流程（a）短切纤维搭接处（b）复合芯材图1.5短切纤维气凝胶复合芯材SEM照片有关复合芯材导热性能的研究也有很多，其中主要分为三类：一类是最早1992年提出通过实验测量获得整体有效热导率并建立其与芯材密度之间的关系[28]。这种方法首先将复合芯材的整体有效热导率分为三部分：全部气体组成气相热导率、全部固体组成固相热导率和辐射热导率，之后分别建立这三者同芯材密度之间的关系再相加。这种方法为之后的计算方法提供了一个很
【参考文献】：
期刊论文
[1]用SiO2/TiO2复合气凝胶制备超疏水光催化防紫外线织物[J]. 盛宇,徐丽慧,孟云,沈勇,王黎明,潘虹. 纺织学报. 2019(07)
[2]纤维素纳米纤丝-还原氧化石墨烯/聚苯胺气凝胶柔性电极复合材料的制备与性能[J]. 刘馨月,齐晓俊,管宇鹏,徐阳,刘红霞. 复合材料学报. 2019(07)
[3]中国科大研制出新型隔热防火双网络复合气凝胶[J]. 新型. 化工新型材料. 2018(06)
[4]孔隙分布不均匀性对渗透率影响的MRTLBM法研究[J]. 马斌,史琳,黄超,许强辉. 中国科学院大学学报. 2018(02)
[5]基于Lattice-Boltzmann方法的多孔介质真空绝热特性[J]. 阚安康,吴亦农,徐志峰,张安阔,王为. 南京航空航天大学学报. 2017(01)
[6]多相非牛顿流体驱替过程的格子Boltzmann模拟[J]. 谢驰宇,张建影,王沫然. 计算物理. 2016(02)
[7]全自动比表面积分析仪校准方法及其不确定度评定研究[J]. 高涛,王锐,王耿媛. 计量与测试技术. 2016(01)
[8]玻璃纤维增韧SiO2气凝胶复合材料的制备及隔热性能[J]. 石小靖,张瑞芳,何松,李治,曹卫,程旭东. 硅酸盐学报. 2016(01)
[9]气凝胶超级绝热复合材料对钢结构的防火性能[J]. 钟支葵,葛全伟,吴会军,丁云飞. 新型建筑材料. 2015(11)
[10]基于Lattice-Boltzmann方法的纳米颗粒多孔介质导热特性[J]. 阚安康,康利云,曹丹,王冲. 化工学报. 2015(11)
博士论文
[1]炭气凝胶及其隔热复合材料的制备与性能研究[D]. 冯军宗.国防科学技术大学 2012
硕士论文
[1]粉状SiO2气凝胶热导率计算及变化规律研究[D]. 喻凡.山东建筑大学 2018
[2]玻璃纤维增韧SiO2气凝胶隔热材料制备研究[D]. 石小靖.中国科学技术大学 2016
[3]SiO2气凝胶隔热复合材料的制备及传热性能研究[D]. 彭程.广州大学 2012
[4]纤维增强SiO2气凝胶隔热复合材料的可控制备及性能优化研究[D]. 廖云丹.广州大学 2012
本文编号：2912564
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