高导热/绝热介孔异质复合体及其热物理效应

本项目以获得具有高导热/绝热特性的纳米复合体材料为目标，通过超分子组装等多种手段，制备由介孔基材与异质纳米颗粒/团簇组装而成的介孔复合体，探讨其微细特性的表征与调控方法。基于复合体微细结构及其异相/异质界面特性的实验探测，提炼纳米尺度和孔隙尺度下材料传递现象的物理机制，揭示限域空间非均质、各向异性和异相/异质界面耦合对材料内部能量输运的影响，修正或重建此类异相/异质结构中能量传递的本构关系，探究诱发界面能量传递的关键因素和影响规律。测试分析介孔异质复合体材料宏观热性能与纳米尺度及孔隙尺度下输运模型的尺度关联，形成考虑异相/异质界面影响的介孔复合体材料热特性表征、设计和预测研究体系，为高导热/绝热材料的研发提供理论基础和实验数据。项目意义在于引领一类具有极限传热/绝热性能纳米多孔材料的研制，为建立此类材料设计、制备和性能评估的科学体系提供必要的铺垫和探索。

围绕介孔异质复合体的制备与表征、热物理效应分析与测试、材料热设计的构效关系开展系统的研究。.材料设计与制备方面：成功合成金属及其氧化物、聚合物等填充的有序介孔二氧化硅基异质复合材料，引入并拓展两溶剂制备体系。提出超声浸渍法合成高负载量和高分散性复合材料以及阳极氧化铝为模板制备聚苯乙烯纳米线阵列的新方法。设计构筑填充无机盐的膨胀石墨基和硅藻土基多孔复合材料以及纤维复合气凝胶等材料，实现一步法制备，提高材料机械性能。合成一系列特殊形貌的具有多孔结构的复合材料。.传热机理与热性能方面：微观重构有序孔道结构和无规则连续网络多孔结构，针对有序介孔二氧化硅、氧化铝，无序多孔二氧化硅气凝胶，建立多孔基材热导率计算模型。考察纳米颗粒、线、团簇等典型纳米填充基元的低维效应，以及边界、晶界散射和近场辐射等微尺度效应。建立复合微/纳米结构表征单元体内异质耦合热传递现象的数理描述，提炼复合结构有效热导率的表达式。实验测量和模型预测纳米颗粒压片/堆积的宏观传热特性及多尺度耦合效应。.研究表明：高孔隙率二氧化硅是优良的绝热材料。控制纳米颗粒堆积孔隙率可进一步降低介孔板材的宏观热导率；当纳米颗粒、孔内气体的热导率对宏观热导率贡献基本相当时，所对应的堆积孔隙率是获得绝热材料的最佳孔隙率。孔道内高填充率组装纳米基元，可有效提高复合材料的热导率，但非真空条件下受限于孔道内气体的不良导热，目前介孔复合材料难以实现超级导热。硬硅钙石型硅酸钙与二氧化硅气凝胶复合，可大幅度降低复合材料在高温下的热导率。.承担111引智计划1项，主办、协办国际会议各1次。培养 973计划首席科学家、长江学者奖励计划特聘教授各1人。项目组成员获得亚洲热物性会议青年学者奖、中国工程热物理学会传热传质学术会议青年优秀论文奖各1项。共发表（含收录）期刊论文21篇，会议论文24篇，其中SCI收录20篇，EI收录3篇，ISTP收录1篇，特邀报告5篇；在审SCI论文11篇；申请发明专利10项，其中授权4项。.绝热材料已向建筑、国防领域拓展大规模实践应用，实现节能示范。尽管目前尚未获得理想超导热材料，但依据项目的研究积累，建议今后高导材料的研究重点：一维/二维纳米材料的弹道、过扩散及欠扩散输运等机理，为材料热设计提供新理论；大分子有机材料的分子结构和分子取向控制，预期可大幅提高其热导率；氮化硼的复合材料，有望为超导热材料带来新思路。