气凝胶热特性的研究现状概要Word下载.docx
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这四者的总和构成材料的总的热导率。
当常压下材料的孔尺寸小于1mm时,对流引起的热传导可以忽略不计,所以,不考虑对流传热的影响。
固相传热是材料本身具有的特性。
在气凝胶中.其固体由非常小的彼此相连的三维网络结构构成,通过固相的热量传递将经历复杂曲折的通路,因此效果很差。
同样的,由于气体分子运动的平均自由程大于气凝胶的孔隙尺寸,气相传热也受到很大的限制。
由于气凝胶具有低的质量分数和很大的表面积,使热辐射也受到很大的限制。
当温度升高时,热辐射变成气凝胶热传导的主要方式。
图1给出了这3种传导方式的示意图。
固相传导气相传导热辐射
图1气凝胶3种热传导方式
F醣11№then岫l删删帆眦n耻rs0f艇喈b*国家863项目支持（2004AA763020
何飞:
男,1978年生,博士研究生Enlail:
luckyhf@1气凝胶热传导的理论计算
如上所述,气凝胶总的热导率由固相传导热导率（x7。
、气相传导热导率（√。
以及辐射热导率（n组成,它们可以分别用下式表示-“日:
√,=∥・√・卧。
/（n・"
]（1
√。
一（An-Ⅱ/（1+d・K。
（2
^‘,一（16・舻・d・Ti/（3・一・K。
/n（3式中:
p’和陆分别是气凝胶的真实密度和骨架密度;
v7和v;
分别为对应的纵向声速;
k为基体材料的热导率;
k为孔隙中气体的热导率;
II为孔隙率（定义为:
1~p7/风;
a是依赖于气体的常数（对空气来讲,大约等于0iK。
是努森（Knud5en系数;
d是s弛phen_B0ltzrnann常数（Ⅱ=5.67×
10~,w/（矗・硭;
n是折射系数（对气凝胶来讲,约等于1;
L是平均温度}K。
是固体的消光系数。
在固相传导中,声速随着密度的减小线性减小。
二氧化硅气凝胶在密度为20kg/甜时,具有最小的声速。
气凝胶的密度范围在20~100kg/甜时.声速可以近似地表示为:
v’≈k・（^,佩・如”2・p‘i当气凝胶的密度大于100kg/m3时,声速可表示为:
v’≈k’・（一亿o“・v;
。
在上述关系中,对于sn气凝胶来讲,k一8890'
k’一o.39。
在气相传导中,当K》l时,气体分子很难彼此碰撞,主要发生与孔隙壁的碰撞;
当I（n《l时,气体分子可像液体那样流动,彼此碰撞非常频繁。
K。
与孔大小有关,可以表示为:
一2m儿
（4 万方数据
气凝胶热特性的研究现状/何飞等・21・
式中:
b为气体分子的平均自由程,k为多孔材料的平均孔大小。
而lm可以用下式表示:
0,。
一“1’/（√2加兽p（5式中:
ke为B1。
乜ma衄常数;
也为气体分子的平均大小,对于空气来讲,也一3.45A}p为孔中填充气体的压力。
在辐射热传导中,辐射传热量与温度的四次方成正比,所以温度越高,辐射传热的比重越大,当工作温度高于600℃时,辐射传热成为材料热导率中的主导部分。
2降低气凝胶热导率的方法
从上述3种热传导方式可以看出,热导率与气凝胶的密度有密切关系,J.nicke等_50给出了气凝胶热导率随密度变化的关系,如图2所示。
另外,上述3种模式混合进行热传导计算也非常困难,因为改变某一方面的影响,同时也会影响其它模式的改变,例如,改变气凝胶的红外吸收能力同时也会改变固相传导。
因此,直接测量热导率比预测改变某一方面的影响更加容易。
图2热导率与密度的关系
T强2The—atio晒陆砸betw嘲IⅡ世maI
训呲tivityaIlddemjty
2.1降低固相传导热导率的方法
气凝胶的固相传导热导率与其骨架密度关系密切,如图2所示。
它们之间的关系为n’“:
A,。
虞（6式中:
a≈1.6。
气凝胶的固相传导不容易降低,是因为降低气凝胶固相存在数量的同时也会使材料本身的机械性能下降;
除此以外,由于固体数量降低,造成平均孔直径增大（同时增大了气相传导。
然而,曲折复杂的固相三维网络结构能够增加固相热传导中热量传递的通路,从而降低热导率。
粒状的气凝胶具有极低的固相传导,这是由于粒子问的彼此接触很少。
但在粒状气凝胶中,彼此连接的空间增加了材料的总孔隙率,因此需要提高真空度。
22降低气相传导热导率的方法
典型的s疋k气凝胶的热导率部分是主要以气相传导的方式提供的。
对于气凝胶的细小结构来讲,在正常压力和温度下,其平均孔径小于氮气或氧气的平均自由程。
气体分子在自由空间和气凝胶中的运动特性,差别主要在于气凝胶中气相传导的平均自由程增加了气体分子对固体颗粒（即气凝胶骨架的碰撞-…。
如果某种气体的平均自由程大于气凝胶的孔径,气体分子将更加频繁地与}L壁碰撞,其程度超过彼此问的碰撞,这样气体的热能将转移到气凝胶的固体结构上,从而降低热导率。
增加气体的平均自由程可以通过3种方式进行:
（1用比空气更小的分子质量的气体填充气凝胶。
由于轻的气体更昂贵,而且容易从孔径中脱去,所以第一个方法不实际。
（2碱小气凝胶的孔径。
通过增加气凝胶的密度能够降低平均孔径。
然而,这种方法虽然会降低气相传导热导率,但却是以增加固相传导热导率为代价的。
降低孔大小存在获得更低的气相传导热导率的可能,这有可能达到非常低的热导率,即使在气凝胶中填充的是空气。
同时,获得更窄的孔隙分布,能更加优化这种影响。
孔大小的控制可以通过控制形成和组成固体块体的相互联接的粒子和链的大小来实现嘲。
例如,采用二步法,即溶胶一凝胶过程中水解和缩聚分别在强酸和弱碱催化条件下发生.则有利于网络结构的控制,制备的气凝胶具有更小、更窄的孔大小分布。
更小的孔隙也可以通过改变浓缩口’”1和催化剂使用的类型o“来实现。
然而孔大小测量实验的不确定性是热传导关系变化的阻碍之一。
（3最有效的方法是降低气凝胶内部的气体压力。
这一体系通常需要高真空以保持其达到理想状态。
然而,在这种情况F,仅需要通过增加气体的平均自由程（相对于平均孔径来降低压力。
对于太多数气凝胶来讲,这一压力通常发生在约6666Pa。
这是一个非常容易获得的真空度。
由于气凝胶的阁体网络结构把空间分割成细小的孔隙,当气凝胶中气体压力降低,其固体结构阻碍气体分子运动的影响更加显著,结果是热导率比自由空间中气体的热导率低大约l/20“。
23降低辐射传导热导率的方法
如前所述,当气凝胶用于高温时,热辐射将成为热传导的主要方式。
当孔隙尺寸远小于红外光波长时,热辐射的降低仅仅由红外吸收引起,与散射无关。
因此,必须添加某种添加剂来吸收或散射红外光,而且添加的成分不能影响材料本身的机械性能,同时也不能增加固相传导热导率。
为了减小辐射对热导率的增加,合成材料可含有红外遮光剂,例如碳黑、二氧化钛、氧化铁、二氧化锫或它们的混合物,这对高温尤其有效。
Wavekngth.pm
图3si02气凝胶消光系数与波长的关系
n晷3ReIa㈣ipbetw咖speci疗cextincti蚰aIld
wa州如西hofSi02aero学ek
图3为siU气凝胶消光系数与波长的关系。
”]。
可以看到,在波长为2~8衄时,消光系数很小,是热辐射能量传递主要发生的波段。
在溶胶凝胶过程中加入碳黑能够有效地吸收红外光,尤其是波长在2~8弘m范围,消光系数明显增加,同时
能够增加气凝胶的机械强度。
但由于碳黑的热导率扰Si（^固 万方数据
万方数据
气凝胶热特性的研究现状
作者:
何飞,赫晓东,李垚,HEFei,HEXiaodong,LIYao
作者单位:
哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所,哈尔滨,150001
刊名:
材料导报
英文刊名:
MATERIALSREVIEW
年,卷（期:
2005,19（12
被引用次数:
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