复杂环境下纳米多孔材料隔热性能预测方法的理论及实验研究

The heat transfer mechanism within the nanoporous material is very complicated, covering the multi-model and multi-scale coupling of heat conduction in the solid phase, heat transfer in the gas or/and liquid phase and radiation heat transfer. There are many difficulties and uncertainties in theoretical investigations. The overall objectives for this project are (1) to experimentally study the effects of temperature (20-800℃), atmosphere pressure (0.001Pa-1MPa), temperature difference (20-800℃), humidity, material microstructure parameters (solid skeleton size, porosity, pore size and its distribution) and composition (type, content, distribution) on the heat insulation performance of silicon oxide nanoporous materials; (2) to lay a strong emphasis on the response characteristics of material back temperature and the variation of the average effective thermal conductivity with temperature difference when there exists large temperature difference; (3)to accurately separate the thermal conductivity of solid phase, gas / liquid phase and thermal radiation, and to revise and improve the micro-nano-scale thermal conductivity models on each mode; (4)on the basis of the microstructural characterization of materials, to build the multiscale structural cell and develop a prediction method on the heat insulation performance of silicon oxide nanoporous materials, and to lay the foundation for the development of nano-porous materials and the heat transfer suppression. This project, integrating of material science, computer graphics, heat transfer, and test technology, is a multidisciplinary research, and has academic significance and great value in engineering.

纳米多孔材料内的传热机理十分复杂，包含固相导热、气/液相传热和辐射传热的多模式多尺度耦合，理论研究存在许多难点和不确定性。本项目以氧化硅纳米多孔材料为研究对象，实验研究温度20-800℃、压力0.001Pa-1MPa、温差20-800℃时温度、压力、温差、湿度、材料微结构参数（固体骨架尺寸、孔隙率、孔径分布）和组份（种类、含量、分布）等对材料隔热性的影响，重点分析大温差时材料的背温响应特性和稳态时材料平均等效热导率随温差的变化规律，在此基础上对固相、气/液相、辐射热导率进行准确剥离，修正和完善各相（项）微纳米尺度热导率模型。结合材料微结构表征，构建具有代表性的材料多尺度结构单元，发展纳米多孔材料隔热性能预测方法，为纳米多孔材料的传热控制奠定基础。本项目融合材料学、计算机图形学、传热学、测试技术等领域，属于多学科交叉研究，具有重要的学术意义和工程应用价值。

纳米多孔材料是由三维纳米固体骨架与填充在孔隙中的气体共同构成的气固两相材料。纳米多孔介质中的传热涉及气相导热、固相导热和辐射传热。气体种类、气氛压力、温度、湿度等对其等效热导率影响较大。另外，环境因素（温度、压力等）的变化也会影响材料内部气体的输运，进而影响材料的隔热性能。本项目结合实验测试、理论分析和数值模拟等多种手段，研究了温度、压力、温差、湿度、材料微结构参数等对材料隔热性能的影响。主要工作及结论如下：.升级了热导率测试实验台，测试了纳米多孔材料等效热导率随着压力、温度、孔隙率等的变化关系。通过实验测试剥离出了固相与辐射耦合热导率以及气相贡献热导率，研究表明气固耦合传热对等效热导率影响较大。评估了湿度对氧化硅纳米多孔材料吸附水蒸气的能力和隔热性能的影响规律，研究表明材料吸附水蒸气后会导致热导率迅速增加。在大温差条件下实验测试了不同添加物对纳米多孔材料等效热导率的影响，发现SiO2中空微米球具有一定的遮光能力。采用数值模拟方法分析了瞬态热源法的理论假设以及其对薄膜材料和各向异性材料热导率测试精度的影响，并提出了提高测试精度的相应措施。修正了纳米孔隙内气相热导率的预测公式，并提出了一种预测纳米多孔材料气相贡献热导率的模型；分别从单元体模型和分形理论出发，提出了两种预测材料有效热导率的模型。建立了能够准确描述复杂环境条件下材料内部传热传质过程、（包含温度场、辐射场、气体压力场和渗流速度场）的多模式耦合模型，实现了纳米多孔材料隔热性能的预测。.本项目共发表国际期刊论文11篇、国际会议论文9篇、中文核心期刊论文3篇、国内会议论文7篇，共培养8名硕/博士研究生。研究成果可指导纳米多孔材料隔热性能的准确预报和材料结构的优化设计，具有重要的学术意义和工程应用价值。