二氧化硅气凝胶纳米孔隙绝热材料气相导热规律研究

发布时间：2019-09-06 07:19

【摘要】：气凝胶纳米孔超级绝热材料基于其独特的性能在航天、太阳能热发电、相变储能、吸附催化、建筑节能、环境保护等诸多领域都拥有巨大的应用前景,而气相导热是该类材料的主要传热方式之一。本文采用理论分析与实验验证相结合的研究方法,对纳米尺度受限空间内气体分子平均自由程以及气相热导率的影响因素、变化规律进行研究。论文搭建了基于“瞬态热带法”的热物性测量试验台,并设计了一套真空加热炉系统,以便提供测量所需的压力环境及温度环境。试验测量了具有双孔分布特性的颗粒状及粉末状SiO2气凝胶的热导率,测量的压力范围为1 Pa-大气压力,温度范围为室温-900 K。采用全自动比表面及孔隙度分析仪测得样品的氮气等温吸／脱附曲线以及中孔孔径分布曲线。分别运用BET理论和BJH模型来计算样品的比表面积和平均中孔直径。以Zeng等提出的纳米孔隙受限空间内气体分子平均自由程和气相热导率模型为基础,考虑材料的微观结构特点,采用纳米小球堆积构成的杆状立方阵列结构,对气体分子平均自由程及气相热导率的影响因素、影响机理及变化规律进行了详细的分析。基于粉末状SiO2气凝胶的显微结构特征,将其简化为具有纳米孔结构的球体在空间周期性的排列结构。分别针对颗粒内部的纳米孔以及颗粒间堆积形成的大孔,采用不同的热导率计算模型,同时考虑不同传热形式间的耦合,建立了具有双孔分布特性的Si02气凝胶整体有效热导率的计算模型,并与实验测得的数据进行了对比分析。结果显示,比表面积和密度是表征纳米多孔材料的两个基本参数,具有更高的比表面积以及更大的密度对于限制纳米孔中的气相热导率具有重要作用；当p104Pa时,气体分子平均自由程不再随压力的变化而变化,气相热导率趋近于0。当p106 Pa时,纳米孔对气体分子自由运动的限制作用可以忽略,气体分子平均自由程以及气相热导率近似等于自由空间内的值。随着温度的不断升高,存在气相热导率的最大值,且压力越大,该最大值点所对应的温度值越高；当温度低于400 K时,模型预测结果与实验值吻合较好,但由于高温下辐射传热的贡献增大,导致模型的预测结果偏低。存在堆积密度的最佳值,使得整体有效热导率最低,且最佳密度随环境温度的升高而变大。
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM21

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本文编号：2532471