硅气凝胶保温材料的绝热机理研究

2016-01-14孙登科

科技资讯 2015年5期

孙登科

摘要：硅气凝胶是目前质量最轻的固体材料，俗称固体烟。其独特的纳米孔三维骨架结构使其在绝热保温领域性能卓越。本文以热量传递的三大途径入手，分析研究了硅气凝胶保温材料在气相绝热、固相绝热和辐射绝热方面的绝热机理，气相绝热方面硅气凝胶的纳米孔阻隔了气体分子的碰撞传热；固相绝热方面硅气凝胶极低的密度使得固相绝热性能优异；辐射绝热方面通过提高硅气凝胶的消光系数可以提高其高温辐射绝热性能。经过本文研究为进一步提高硅气凝胶综合绝热性能奠定理论基础。

关键词：硅气凝胶绝热保温材料

中图分类号：TB3 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）02（b）-0000-00

热量的传递可以通过气相传热、固相传热和辐射传热来实现，一般多孔材料通过隔绝气相传热来达到保温效果，硅气凝胶凭借其纳米级的多孔性质在气相传热方面有着超级的绝热性能。同时其极低的密度也决定了它在固相传热中优异的性能表现。对于辐射传热方面其绝热性能可以通过增加对红外辐射具有阻隔作用的遮光剂来掺杂改性提高[1]。

1 气相绝热

硅气凝胶在气相绝热方面的优势在于其独特的纳米级孔穴结构，通过纳米孔来阻隔空气对流引起的热量传递。一般多孔材料的气相绝热原理主要是降低气体间碰撞的频率从而降低气体对流产生的热量传递[2]，具体公式如（1-1）

（1-1）

其中 —— 材料气孔内气体的导热系数[W/（m·K）]；——与气孔内气体有关的常数；Kn——Knudsen系数，一个物理量，用来标定气孔内气体流态，一般表示为：

（1-2）

——气体分子平均自由程（m）；—— 材料的平均孔径（m）。

通过以上表达式我们可以看出，如果当Kn >>1时，材料的气相导热系数极低，气相绝热性能优异。而且当材料内部孔隙足够小的情况下，即小于空气中氮气和氧气的分子平均自由程时，空气分子将几乎无法碰撞传递热量。然而硅气凝胶的平均孔径在50个纳米以内[3]，远远低于空子分子平均自由程70纳米。因此硅气凝胶气相绝热性能优异。

2 固相绝热

对于热量传递的另一大主要途径就是固相传热，硅气凝胶材料本身的骨架结构是由硅-氧原子相连组成的空间网状结构。这种结构形成的极高的孔隙率大大增加了热量在骨架内的传递路径从而提高了其固相绝热。同时硅气凝胶固相绝热性能和其密度关系密切，具体公式如下：

（1-3）

其中 ——基体材料的导热系数[W/（m·K）]；，—— 硅气凝胶的实际密度、骨架密度（kg/m3）；，—— 硅气凝胶实际密度和骨架密度对应的纵向声速，其中的数值可以根据热量传递时网络骨架中声子的振动频率进行估算。上式对于硅气凝胶来说是固定的常数记为C，因此可将公式（1-3）写成=C，其中声速v由硅气凝胶材料的骨架密度决定。所以硅气凝胶的固相传热公式还可以改写成只与密度相关的表达式如（1-4）

（1-4）

其中 ——可以通过实验测定的系数。

由上式可以看出硅气凝胶固相传热与其密度息息相关，然而硅气凝胶号称最轻的固体材料，俗称固体烟。因此其固相绝热性能优异。

3 辐射绝热

当环境温度升高时，除了对流和固相传热外辐射传热将处于主导地位。辐射传热不同于对流和固相传热，这种传热方式不需要气体分子碰撞或固相材料接触。其主要通过红外线辐射传递热量，具体公式如下：

（1-5）

其中：——有效折射系数，对于硅气凝胶来说约为1；——硅气凝胶的实际密度（kg/m3）；——Stephen-Boltzmann常数，其数值为5.67×10-8 [W/（m2K4）]；——平均温度（℃）；——硅气凝胶的消光系数（m2/kg）。

由公式（1-5）我们可以看出，硅气凝胶材料在辐射传热方面受温度影响程度大，而且消光系数对硅气凝胶的辐射绝热起到重要作用，消光系数增加时辐射导热系数下降。因此通过提高硅气凝胶的消光系数可以提高其高温辐射绝热性能。

由Beer定律可知，一般情况下材料的消光系数与材料在一定条件下红外透过率相关，其公式如下：

（1-6）

其中 I/I0——红外线透过率；I0——入射光强度；I——透射光强度；

l——光物质的距离（m）；——材料的消光系数（m2/kg）；c——被检测材料的浓度（g/cm3）。