纳米尺度受限空间内气体分子热质传递规律研究

Deepen acquaintance on heat and mass transfer mechanism in material internal is very important for exploitation and application extension of nano-porous materials. Starting from the description of dynamic behaviour of gases in confined nano-porous structure and interaction analysis between gas molecules and nano grain solid surface, this project is to study the heat and mass transfer mechanism of gases in confined nano-scale interspace by expanding the existed theoretial and experimental methods. Theoretically, the kinetic theory of gases and improved molecular dynamics simulation method are adopted respectively to describe and analyze motion activity and heat mass transfer process in nano-scale interspace, and discuss the influence characteristics of the nano-hole dimension, the features of solid grain surface, the link properties of nano-hole, as well as temperaure, pressure and filling medium on heat and mass transfer process of gases in nano-scale interspace. The coupled effect between nano-porous structures and gas thermo-motive activities will be analyzed. Experimentally, the thermal conductivity of micro-nano porous materials will be measured at different tempeatures and pressures, and at different filling gases conditions. The gaseous conductivity variation patterns will be got, and be used to compare with the theoretical analysis results. The research will deepen the recognization of heat and mass transfer process in nano-porous materials.

深化对纳米孔隙材料内部热质传递规律的认识对于该类材料的进一步开发和推广应用十分重要。本项目通过拓展现有理论和实验方法，以纳米尺度受限空间内气体分子运动规律描述以及气体分子与纳米孔壁间的交互作用分析为出发点，研究纳米尺度受限空间内气体分子的热质传递规律。采用气体分子运动论思想和改进的分子动力学模拟方法分析和描述纳米尺度受限空间内的气体分子运动和热质传递规律，探讨孔隙尺度、固体壁面特征、纳米孔隙联通特性，以及环境温度、压力、不同填充气体等因素对纳米尺度受限空间内气体分子热质传递规律的影响特性，分析高温状态的变形机制下纳米孔隙结构-气体热动力耦合效应。通过在不同温度和压力以及不同填充气体状态下导热系数的测量，得到纳米孔隙绝热材料气相导热系数物性数据及其变化规律，并与理论分析结果进行对比分析，深化对纳米孔隙材料内部热质传递规律的认识。

深化对纳米孔隙材料内部热质传递规律的认识对于该类材料的进一步开发和推广应用十分重要。本项目通过拓展现有理论和实验方法，以纳米尺度受限空间内气体分子运动规律描述以及气体分子与纳米孔壁间的交互作用分析为出发点，研究纳米尺度受限空间内气体分子的热质传递规律。分别采用高精度扫描电镜SEM和Micro-CT对材料的微观结构进行了二维和三维扫描分析和结构观察，采用BET吸附法测量材料的比表面积，得到材料内部的纳米孔隙分布特征，以及其间存在的大孔隙分布特征；分别采用气体分子动力论思想和分子动力学模拟手段对受限空间内的典型气体分子运动过程进行了系统分析和模拟研究，得到典型气体分子在此受限空间内的运动特性规律以及气体分子与固体壁面间的交互作用规律，分析得到纳米尺度受限空间内气体分子平均自由程的变化规律，在此基础上建立了受限空间内气体分子的热传导模型。通过分析纳米尺度受限空间内的气体热传导过程，得到纳米孔隙尺度、固体壁面特性等对纳米尺度受限空间内气体分子热质传递规律的影响特性。采用瞬态热带法在不同温度和不同压力下测量了颗粒及粉状气凝胶材料的热导率，得到高温状态及不同压力环境下气相热导率的实验数据，并与理论研究结果进行对比。通过本项目的开展深化了对纳米孔隙材料内部热质传递规律的认识。