新型功能复合材料跨尺度高温光谱辐射特性研究

This project aim at functional composite materials, such as nano-insulation materials, fiber insulation felt, ceramics and high temperature coatings, which are widely used in engineering and technical fields of high temperature thermal protection of Aircraft, high-temperature application of solar energy, manufacture of functional composite materials, and study Scaling properties, microstructure, surface morphology of the material which effect on the mechanism of material spectral radiation characteristics at high temperature. This study include the following aspects: Mechanism and characteristics of the nanofiber scale effects on the spectral radiative properties of high-temperature these composite materials, mechanism and characteristics of microstructure effects on the spectral radiative properties of high-temperature functional composite materials, mechanism of the surface morphology effects on scattering, absorption, emission characteristics of these composite materials, the nanofiber high-temperature thermal expansion behavior effects on thermal radiation characteristics of materials, microstructure near-field to far-field radiative transfer model. Through research, deeply understand the scale effect of the high temperature spectral radiative properties of such functional composite material, access to the impact mechanism among nanofiber scale, microstructure, surface morphology and thermal radiation properties, master a new time-domain analysis method of heat radiation characteristics of microstructure, promote the development of the thermal radiation heat transfer theory of microstructure. To provide a scientific theoretical foundation for the innovation and development of new material microstructure design, regulation of thermal radiation spectrum and direction, measurement technology of high temperature thermal properties.

本项目针对飞行器高温热防护、激光与高能武器防护、太阳能高温利用等工程和技术领域中广泛存在的纳米隔热材料、纤维隔热毡、陶瓷及高温涂层等新型功能性复合材料,研究在高温条件下纳米纤维的尺度特性、微观结构、材料的表面形貌对材料光谱辐射特性的影响机制,包括：纳米纤维尺度效应、微观结构对上述复合材料高温光谱辐射性能的影响机制及特性，表面形貌对复合材料散射、吸收、发射特性的影响机制，纳米纤维高温热膨胀行为对材料热辐射特性的影响以及微观结构近场-远场辐射转换模型。通过研究，深入认识此类复合材料高温光谱辐射特性的尺度效应，获得纳米纤维尺度、微观结构及表面形貌与热辐射性能间的影响机理，掌握跨尺度结构热辐射传输的一体化时域分析新方法，促进微结构热辐射传热理论发展，为新材料细观结构设计、热辐射的光谱和方向调控、材料高温热物性测量等技术的创新发展提供科学理论基础。

近年来在实际工程中，新型材料所占比重逐渐增大，其中，非金属复合材料的应用十分广泛，尤其是以轻质、高强的纤维复合材料为代表，成为了工程方面所青睐的对象。本项目对飞行器热防护、激光与高能武器防护、太阳能等工程和技术领域中广泛存在的纳米纤维隔热材料进行光谱辐射特性研究。纤维材料属于半透明介质，其尺度特性、微观结构、材料的表面形貌及构成材料的种类对都会影响材料的光谱特性。针对上述问题，分别选用了不同的计算分析方法进行研究。微观尺度下，用时域有限差分法（FDTD）计算微观结构及材料性质对光谱特性的影响机制及变化规律，通过设定不同的纤维之间衡向、纵向距离，改变单根纤维的尺寸及材料复折射率，以及建立2D纤维不同的排列方式（顺排，错排），综合研究由于高密度粒子分布所引起的光学效应对材料辐射传输的影响，得到微观下材料的光谱辐射特性。宏观尺度下，基于辐射传递方程，用蒙特卡洛方法分别计算了短切纤维和编织纤维的辐射传热性质，考虑了纤维体积百分比，编织方式等的影响。并用格子玻尔兹曼方法将纤维的导热与辐射进行了简略的耦合计算，得到纤维材料整体的传热性质。实验上采用了积分球反射率测量法，结合K-K关系式，反演得到纤维材料的光谱辐射性质。完整的建立了从微观到宏观纤维材料的计算过程，掌握多尺度结构热辐射传输的一体化时域分析新方法。获得了热辐射性能与纤维材料之间各项参数之间的联系。为纤维复合材料的制备与生产提供了指导意见。促进了微结构辐射换热的理论研究，并给出了新型材料微观结构的设计新思路。