复合气凝胶的分子动力学模拟及传热模型研究

发布时间：2020-07-08 02:07

【摘要】：气凝胶是一种纳米多孔轻质隔热材料,具有高孔隙率、高比表面积等优异性能,可广泛应用于建筑节能、航空航天、催化吸附等领域。本文通过分子动力学方法模拟了气凝胶纳米多孔结构的自组装过程,对比分析了不同密度气凝胶的结构及性能,并通过建立单元体传热模型计算得到各种气凝胶的导热系数,分析了气凝胶的传热特性。首先,对SiO_2气凝胶进行微观原子尺度的动力学计算,研究纳米多孔结构的自组装过程,并对不同体系进行能量、多孔结构、原子间结合力及力学性能分析。结果表明,非键相互作用中的范德华力主导了自组装过程。当密度为0.078g·cm~(-3)时,形成的结构以纳米团簇为主;当密度超过0.172 g·cm~(-3)时,可形成以硅、氧元素为主体的无定形骨架结构。原子间结合力的增强导致其运动活性降低,可自由移动空间减小。当SiO_2气凝胶密度为0.078~0.443 g·cm~(-3)时,弹性模量为0.126 5~0.788 9 MPa,与密度成线性关系。模拟结果与实验值吻合度较高。其次,模拟实现了聚脲/SiO_2复合气凝胶纳米多孔结构的自组装过程,并对比分析了各体系的能量、均方位移、多孔结构及力学性能等。研究表明静电相互作用是其多孔结构自组装过程中的主导因素,且聚合链的扩散运动性随密度增加而逐渐降低。当密度超过0.236 g·cm~(-3)时,可形成骨架结构,且随密度增加骨架结构逐渐变粗。当密度为0.236~0.512 g·cm~(-3)时,弹性模量为85.39~213.94MPa。相比于纯SiO_2气凝胶,经聚合物交联后增强了骨架结构中二次粒子的连接部位,弹性模量提高了190~240倍。最后,针对纳米多孔绝热材料的微观结构,建立了纳米孔隙计算模型,综合考虑了气凝胶颗粒的气固耦合热传导、孔隙中的气相传热及辐射传热,最终推导出有效热导率的计算表达式。采用传热模型计算了几种气凝胶的热导率,结果与实验值吻合度较高。通过分析温度、密度、比表面积等因素对气凝胶热导率的影响规律,表明气凝胶存在最佳密度使其导热系数最低。在高温下辐射传热为主要传热方式,添加纤维会显著降低气凝胶在高温下的导热系数。
【学位授予单位】：石家庄铁道大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O648.17
【图文】：

气凝胶

化进程的发展脚步不断加速，群众生我国经济快速发展的重要因素[1]。数据耗总额的 1/3 左右，且所占比重日益提能技术的不断改进，建筑保温隔热材因此，面对日益严峻的能源匮乏，寻找我们当前所面临的首要使命。想的纳米多孔保温隔热材料，具有高比优异的隔热性能[4]，在建筑节能、环境展前途[5-7]。构量级的凝胶颗粒彼此聚集形成的一种可控的空间网状结构。原有骨架中的，呈半透明浅蓝色，超轻，如图 1-1

复合气凝胶,SiO2气凝胶,有机基团

有机气凝胶干燥后并经高温下碳化处理可得到碳气凝胶。2013 年，高分子课题组[12]制备出密度达 0.16 mg·cm-3的“碳气凝胶”。SiO2气凝胶骨架中二次粒子间的连接部位较小，因此强度低、脆性大此缺陷，可通过引入有机基团得到无机-有机复合气凝胶。随着混合硅联剂、TEOS)水解和缩聚反应的进行，有机基团将附着在 Si-O-Si 网状的表面。随后加入交联剂，有机基团将进一步在 SiO2气凝胶骨架表面包覆有机层，如图 1-3 所示。最终，扩大了固体骨架结构中二次粒子间积，SiO2气凝胶的力学性能得到了有效的改性。Polymer Coating

气凝胶,传热方式,骨架结构

图 1-4 气凝胶内部的传热方式维网络骨架结构由许多 Si-O-Si 基团相互连架进行固相热传导，即气凝胶的骨架结构而大大降低了固相导热。气凝胶内部的孔气中气相分子的平均自由程约为 70 nm。此撞或碰撞几率很小，从而有效地降低了气的红外光遮挡效率较高，同时其骨架结构应”[15]，因而有效限制了气凝胶的辐射热传气凝胶的有效导热系数比自由空间中空气下导热系数仅为 0.01～0.03 W·m-1·K-1 [16]。与常用保温材料的性能对比见表 1-1。表 1-1 气凝胶与常用保温材料的性能对比导热系数/(W·m-1·K-1) 强度

【参考文献】