吸热型遮光剂掺杂SiO2气凝胶的隔热性能的理论与实验研究

Silica aerogel as a typical nanoporous material has excellent thermal-insulating performance. However, it is very difficult to further improve its thermal-insulating performance under high temperature by doping the traditional opacifiers. Combing the particle scattering and the decalescence heat of phase change, a novel concept of “endothermic opacifiers doped silica aerogel” is proposed in this project and the related thermophysical problems will have been investigated. We will aim to (1) explore the mechanism of the solid-liquid phase-change heat transfer in confined space at microscale and the shading characteristics of the microencapsuled PCM; (2) reveal the coupled heat and mass transfer mechanism of the interaction between radiation, conduction, phase change and gas diffusion; (3) establish the model to predict the thermal insulating performance of “endothermic opacifiers doped silica aerogel” under the variable temperature and pressure differences; (4) design the gradient materials of “endothermic opacifiers doped silica aerogel” on the basis of the coupling relationship between temperature, wavelength, scattering and phase change. The present study belongs to the multiscale (from nanoscale to macroscale) problem and will support the development of the thermal-insulation and temperature-control technologies, which is of significance in the academic field and the practical application.

SiO2气凝胶作为一种典型的纳米多孔材料，具有优异的隔热性能，但现有添加遮光剂的方法很难进一步提升其高温隔热性能。本项目结合颗粒散射和相变吸热，创造性地提出了“吸热型遮光剂掺杂SiO2气凝胶” 这一概念并开展相关热物理问题的研究，旨在探究微米级相变胶囊内的固液相变传热机理和微胶囊的遮光特性，揭示材料内部辐射-导热-气体扩散等多模式耦合传热传质过程的相互影响机制，构建变温差变压差服役条件下“吸热型遮光剂掺杂SiO2气凝胶”隔热性能的预测模型，结合温度-波长-散射-相变间的耦合关系提出梯度隔热材料设计方案。本项目的研究在科学层面属于多尺度（纳米-微米-宏观）传热传质的范畴，在应用层面可为隔热、温控技术提供理论支撑，具有重要的学术意义和工程实用价值。

SiO2 气凝胶是一种超级绝热材料（super insulator），但从基本传热原理方面来看有两个明显的缺陷：（1）当波长小于 8μm 时对热辐射几乎是透明的；（2）密度和比热小，导致其热惯性小。通常采用的方法是通过添加一定种类、含量和粒径的遮光剂来改善材料的高温隔热性能。但要满足一定重量下和高温短时间内（如千秒量级）的隔热需求，单纯从改变传统遮光剂材料种类、粒径和含量方面很难使得材料本身的高温隔热性能有明显的提升。相变微胶囊技术是以一种材料为壁材包覆相变材料来解决储热、温控等问题的新技术，因此如果将常用的遮光剂用相同粒径的相变微胶囊（本项目中称为“吸热型遮光剂”）代替，则在不改变材料制备工艺的前提下，不仅可抑制辐射传热，而且可以大幅提高材料热惯性，从而显著提升材料的高温隔热性能。.有鉴于此，本项目提出“吸热型遮光剂掺杂 SiO2气凝胶”这一概念并开展相关热物理问题的研究。.（1）设计并制备了Al-Si@Al2O3 （1-3μm/4-8μm）遮光剂掺杂SiO2气凝胶，证实了其在大温差环境下的优秀的高温短效隔热性能，并发明了一种梯度掺杂吸热型遮光剂的气凝胶隔热材料，极大地提高了现有材料的高温短效隔热效果。.（2）探究了微米级吸热型遮光剂的相变传热机理和吸热型遮光剂的遮光特性，建立了SiO2气凝胶固体骨架表观热导率的预测模型，提出了一种预测气凝胶气相贡献热导率的数值方法，构建了复杂环境条件下“吸热型遮光剂掺杂SiO2气凝胶”隔热性能的预测模型。.（3）研究了核壳遮光剂含量、种类、粒径、核壳比等参数对核壳遮光剂的消光特性和气凝胶复合材料的辐射热导率影响，发现以炭黑为芯材的核壳结构遮光剂的遮光性能相比于均质实心遮光剂有明显提高。.（4）开展了考虑吸附和渗流作用下的气凝胶内气体扩散特性及纤维涂层的参数对于气凝胶复合材料隔热性能的影响的研究。.本项目共计发表国际期刊论文12篇、国内期刊论文1篇、授权发明专利2项、培养6名硕/博士研究生。研究成果可支撑新型SiO2气凝胶复合材料的设计和开发。