柔性微纳米纤维绝热材料的可控制备及传热机理

微纳米材料因具有大量尺寸很小的孔隙及高孔隙率，作为绝热材料具有轻质和高效的特点。采用静电纺丝－表面改性方法，制备金属或金属氧化物表面改性的微纳米纤维，其微纳米尺度和表面改性分别对热传导和热辐射具有高效遮挡作用，而且电纺微纳米纤维长径比大、柔软性好，本项目研究基于微纳米纤维的新型柔性绝热材料的可控制备和传热机理。实验表征柔性微纳米纤维绝热材料的微观结构，测试其导热及对热辐射的散射、吸收和反射性能，研究制备工艺参数对微观结构和热性能的影响，获得柔性微纳米纤维绝热材料的可控制备方法。建立柔性微纳米纤维绝热材料的微观结构模型，采用二流辐射模型描述热辐射的散射、吸收和反射传热方程，建立导热和辐射传热耦合模型，采用快速格子Boltzmann方法对耦合能量方程进行数值求解，与实验测试结果对比和修正，研究微纳米纤维材料微观结构参数对传热过程的影响，为柔性微纳米纤维绝热材料的可控制备和性能优化提供理论支持。

面向工业和建筑领域热能高效利用，隔热保温等绝热材料能有效减少热能在产生、储存、运输、使用等过程中的损失，对于节能降耗减排具有重要的发展应用价值。微纳米材料因具有大量尺寸很小的孔隙及高孔隙率，作为绝热材料具有轻质和高效的特点，本项目研究柔性高孔隙率微纳米纤维绝热材料的可控制备技术、性能调控方法及热物理传递规律，主要研究内容包括：（1）柔性微纳米纤维绝热材料的制备方法及其可控性；（2）柔性微纳米纤维绝热材料的绝热性能及其与微观结间的关联机制；（3）柔性微纳米纤维绝热材料的微观结构模型及传热机理。. 项目工作按照研究计划要点执行，已完成项目研究内容，取得了预期的研究成果，主要包括：（1）通过调控静电纺丝技术静电场分布和纤维收集方法，制备出整体有序和排列可控的微纳米纤维毡；并采用物理气相沉积（PVD）对静电纺微纳米纤维进行金属表面改性，首次获得一种具有良好透汽性和隔热性能的三层反射型微纳米纤维绝热材料结构；（2）采用磁控同轴共纺技术，首次制备出分叉结构的微纳米纤维材料；（3）采用傅里叶变换红外光谱仪和瞬态平面热源法测试了微纳米纤维的热物理特性，发现对微纳米纤维进行物理气相沉积后可有效提高对热辐射的遮挡效果；（4）基于二流辐射模型，针对多孔纤维材料、多层纤维复合材料、分叉纤维材料等不同微观结构的纤维绝热材料，建立了其导热和辐射传热耦合模型，并采用有限体积法和Monte-Carlo方法进行数值计算，研究了多孔纤维绝热材料的热物理传递规律。（5）基于静电纺丝制备的多种结构微纳米纤维，为进一步提高其隔热性能，本项目还就静电纺微纳米纤维与超级绝热气凝胶复合进行了探索性的研究工作。. 结合项目研究成果，在国内外权威期刊及会议发表研究论文16篇，被SCI和EI收录6篇（其中SCI 3篇）；申请发明专利3项，其中美国发明专利1项、中国发明专利2项；培养硕士研究生3名，其中2名已毕业。本项目在静电纺丝可控制备技术、柔性微纳米纤维结构及性能调控、微纳米纤维绝热材料热物理传递方面取得了创新性的研究成果，可为柔性微纳米纤维绝热材料的性能优化和节能应用提供指导，对于节能降耗减排和可持续发展具有重要的意义。