纳米超级隔热材料及其最新研究进展

从分析纳米隔热材料的传热机理入手,指出微米/亚微米孔隙结构特征是决定其是否具有"超级隔热"性能的关键因素。以常温常压下热导率0.02 W/m.K为目标,利用理论计算方法获得了纳米超级隔热材料大孔孔隙尺寸及其所占体积分数的最大容限,并采用SiO2纳米隔热材料的测试结果进行了验证。以满足1 000℃以上使用要求作为目标,制备了1 200℃下结构稳定性良好的SiO2-Al2O3复合纳米超级隔热材料,采用自行研制的超低热导率测试样机对不同温度和压力条件下的热导率进行测试,并与石英灯加热法测评试样热导率的实验结果进行了对比。最后提出了本领域存在的其它难题,展望了纳米超级隔热材料的未来发展潜力。     

纳米孔 SiO2多层隔热材料的制备和结构优化设计

以SiO2粉体为主要原料,加入石英纤维和硬硅钙石晶须作为增强材料,通过湿法工艺制备了纳米孔SiO2.制备的纳米孔SiO2密度为0.3g/cm3,孔隙率为85％左右.孔隙直径主要分布在20到80nm之间.由于大量纳米孔的存在,纳米孔SiO2中固相导热和对流传热大大降低.为了降低纳米孔SiO2的高温辐射传热,采用辐射屏蔽层与纳米孔SiO2叠层复合来制备纳米孔SiO2多层隔热材料.采用有限元方法,通过传热计算得到纳米孔SiO2多层隔热材料等效导热系数随辐射屏蔽层的发射率、层密度及工作温度的变化规律.提出了纳米孔 SiO2多层隔热材料的结构优化设计方案.     

考虑孔隙及微裂纹影响的混凝土宏观力学特性研究

混凝土是一种典型的多孔介质材料,孔隙分布错综复杂,孔径尺寸跨越微观尺度和宏观尺度,对混凝土弹性模量及强度等力学参数产生巨大影响.认为混凝土是由骨料、孔隙及砂浆基质组成的三相复合材料,采用Monte Carlo 法将孔隙、微裂纹及微缺陷与骨料颗粒随机投放在砂浆基质中.根据三相球模型及中空圆柱形杆件模型得到含孔材料的有效力学性质,并推导得到含孔材料的等效本构模型.建立含孔隙混凝土试件的细观单元等效化力学模型,对二级配含孔隙混凝土试件在单轴拉伸及压缩条件下的反应进行了非线性分析.结果表明:孔隙、微裂纹的存在对混凝土宏观弹性模量、强度及残余强度等力学性质都有很大影响,在对混凝土宏观力学特性分析及研究混凝土损伤断裂时不应忽略其影响.     

SiO_2/酚醛树脂核壳纳米颗粒制备研究

以正硅酸乙酯(TEOS)为前驱液、氨水为催化剂和去离子水、无水乙醇为溶剂,以甲醛、间苯二酚缩合形成酚醛树脂作为包覆层,采用溶胶-凝胶法制得砖红色二氧化硅(SiO_2)/酚醛树脂(RF)(SiO_2/RF)核壳纳米颗粒。研究结果表明:制得的SiO_2/RF核壳纳米颗粒微观形貌为规整的圆球状,形成了核壳结构;纳米颗粒平均粒径280nm,纳米颗粒的壳层平均厚度为11nm;SiO_2/RF核壳纳米颗粒的C、O、Si元素的摩尔浓度比为1∶1.72∶0.75。     

弹塑性多尺度分析的实现及其在颗粒增强复合材料中的应用

基于满足周期性假设和尺度分离假设的渐进展开均匀化原理,应用商业有限元软件ABAQUS实现了快速识别颗粒增强复合材料的等效弹性参数,及获取其宏-细观尺度下的非线性应力应变场信息。在细观尺度上,为了更好地逼近实际的复合材料结构,其增强颗粒采用不同直径和随机分布的球形进行近似。通过对不同颗粒含量的等效弹性参数的误差分析,证明了细观模型构造的合理性。此外,通过宏-细观尺度间的耦合机制,利用ABAQUS多个用户自定义子程序,实现了颗粒增强复合材料的非线性多尺度耦合分析,并提出了一套加速算法。最后据此研究了颗粒增强材料细观模型塑性演化过程对宏观力学性能的影响。由于编写的程序及分析的思路具有良好的通用性,这一工作为研究颗粒增强及其它复合材料的宏观力学性能提供了有益的参考。     

Al2O3纳米流体相变特性的DSC研究

纳米流体相变时所体现出的特性是其作为蓄冷相变材料使用的重要基础。利用差示扫描量热法分别测量了纳米颗粒粒径为10nm、20nm、50nm、100nm、500nm,质量分数为5%、10%、12%、15%、20%,以及降温速率为2℃/min、3℃/min、5℃/min、7℃/min、9℃/min的Al2O3纳米流体的凝固点、冰点、融化点、比热及相变潜热的影响。测量结果表明:纳米流体的凝固点、冰点值都高于去离子水;随着颗粒粒径、质量分数和降温速率的增加,纳米流体的凝固点、冰点逐渐升高,而比热值逐渐减小。融化温度随着颗粒粒径、质量分数的增加而增加,且随着降温速率的增加而小幅度的降低。去离子水的相变潜热值高于纳米流体的潜热值;随着纳米颗粒粒径的增加,潜热值越大;随着质量分数和降温速率的增加,相变潜热值越小。     

脉冲激光液相烧蚀贵金属Au/Ag产物的表征及反应机理研究

采用多波长(1064nm、532nm、248nm)脉冲激光在去离子水中对责金属Au、Ag片表面进行激光烧蚀(PLA).利用TEM、AFM、SEM对烧蚀金属片表层及产物(微/纳米尺度的金属颗粒)进行观察分析,认为在液相水环境中,整个烧蚀过程主要可分为激光诱导相沸腾爆炸和等离子体羽辉混合体膨胀2个过程.在这2个过程中分别产生得到具有微米尺度的球状金属颗粒和纳米尺度的金属颗粒.同时,具有纳米尺度金属Au/Ag颗粒经过强激光光子"二次"修饰改性过程,形成具有形状统一、分散性和稳定性较好的金属纳米胶体体系,这些胶体中金属纳米颗粒作为探针,在表面增强拉曼散射(SERS)光谱学方面有很好的应用价值.     

碳包覆纳米铜颗粒/硫化硅橡胶导热复合材料的制备及性能

选用实验室自制的碳包覆纳米铜颗粒(Cu@C)为导热填料,以α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷为基体,采用机械共混法制备了碳包覆纳米铜颗粒/室温硫化(Cu@C/RTV)硅橡胶导热复合材料。通过透射电子显微镜、BET法、热导率测试仪、热重分析仪、万能材料试验机及邵氏硬度计等方法和手段,完成Cu@C纳米颗粒填料的微观形貌分析和比表面积测定,并研究了Cu@C填料在低填充量下(30%)(质量分数,下同)对于Cu@C/RTV硅橡胶导复合材料热导率、热稳定性及力学性能的影响。结果表明,Cu@C纳米颗粒为球形、包覆型核壳结构,平均粒径在50 nm左右,其比表面积为69.66 m2/g。Cu@C/RTV硅橡胶导热复合材料的热导率随着Cu@C纳米颗粒填充量的增加而增大;填充量为30%时,复合材料的热导率可达2.41 W/m K;加入Cu@C纳米颗粒填料能够将RTV硅橡胶的热分解起始温度提高到422℃,并延缓其最终分解温度至625℃;随着Cu@C/RTV硅橡胶导热复合材料中Cu@C纳米颗粒填充量的增加,复合材料的拉伸强度和断裂伸长率呈下降趋势,而100%定伸应力和硬度则呈增大趋势。     

水玻璃制备纳米孔SiO2气凝胶块体材料的研究

以廉价水玻璃为硅源,经溶胶-凝胶工艺和超临界干燥技术制备了SiO2气凝胶块体,并研究了制备条件对其成胶时间的影响.结果表明,成胶时间随稀释剂用量(水或无水乙醇)的减少和温度的升高而缩短,但随NH3·H2O添加量的增加先缩短后延长,并且以无水乙醇为稀释剂时较以水为稀释剂时短.典型样品的扫描电镜(SEM)表明纳米尺寸球形骨架颗粒构成了连续网状纳米多孔结构,并且由N2吸附测试得知所有孔径均＜61nm,平均为6.3nm,比表面积为297.7m2/g.     

液相准分子激光烧蚀制备碳纳米颗粒及其发光性能

将碳化硅(SiC)粉末分散于去离子水中,用准分子脉冲激光进行烧蚀反应,离心后得到分散于去离子水中的碳纳米颗粒。透射电子显微镜观测表明这些碳纳米颗粒大多为空心结构,直径为20~30nm。碳纳米颗粒表面钝化良好,具有优良的发光性能。在紫外光激发下,纳米颗粒在去离子水中的悬浮液在紫-蓝光区域有较强、较稳定光发射,其发光与缺陷态,量子限制效应有关。     

基于孔尺度的泡沫金属强化相变储热材料传热性能数值模拟

导热系数低是影响相变储热材料应用的主要难题之一,而泡沫金属具有高热导率、高孔隙率以及高比表面积等特性,在相变材料中添加泡沫金属可实现强化传热。该文基于泡沫金属基3D微观结构W-P模型,重点分析了泡沫金属基复合相变材料有效导热系数与泡沫金属孔隙率以及孔径的关系,采用数值模拟方法利用该模型预测并验证了泡沫铝6101添加空气与水的有效导热系数,研究结果表明该模型能够精确预测泡沫金属材料有效导热系数,在此基础上预测了石蜡中添加泡沫铜的有效导热系数,结果表明,泡沫金属可以显著提高相变材料的导热系数,当泡沫铜的孔隙率为97.57%时,复合相变材料的导热系数与纯石蜡相比提高了13倍。研究结果对于相变储热材料的热物性强化研究具有一定参考价值。     

Solid‐State Explosive Reaction for Nanoporous Bulk Thermoelectric Materials

High‐performance thermoelectric materials require ultralow lattice thermal conductivity typically through either shortening the phonon mean free path or reducing the specific heat. Beyond these two approaches, a new unique, simple, yet ultrafast solid‐state explosive reaction is proposed to fabricate nanoporous bulk thermoelectric materials with well‐controlled pore sizes and distributions to suppress thermal conductivity. By investigating a wide variety of functional materials, general criteria for solid‐state explosive reactions are built upon both thermodynamics and kinetics, and then successfully used to tailor material's microstructures and porosity. A drastic decrease in lattice thermal conductivity down below the minimum value of the fully densified materials and enhancement in thermoelectric figure of merit are achieved in porous bulk materials. This work demonstrates that controlling materials' porosity is a very effective strategy and is easy to be combined with other approaches for optimizing thermoelectric performance.     

新型多腔孔陶瓷复合保温材料的制备及性能研究

通过原料及配方的创新,以硅酸铝纤维、玻化微珠等为原料制备了一种新型多腔孔陶瓷复合保温材料。研究了材料的导热性能和显微结构。结果表明:材料导热系数低,热面温度200℃时导热系数仅为0.050 W/(m·K),热面温度600℃时导热系数为0.084 W/(m·K);材料内部结构疏松,存在多级配的孔隙结构,孔隙尺寸在微米级以下。利用马弗炉进行保温性能测试,保温材料内表面温度600℃,厚度仅为139mm时,稳态时外表面温度即可低于46℃,散热损失仅为158 W/m~2,远远低于标准规定的最大散热损失266 W/m~2。将材料制成1cm厚度的块材时,材料能产生较大弯曲而不损坏,有利于对电厂高温管道进行包覆。     

莫来石含量对钙长石/莫来石复相多孔陶瓷组织结构与性能的影响

以CaCO₃、SiO₂、α-Al₂O₃为原料, 采用泡沫注凝法制备了不同莫来石含量的钙长石/莫来石复相多孔陶瓷, 研究了莫来石含量对复相多孔陶瓷的体积密度、气孔率、抗压强度、热导率及微观组织和结构的影响. 结果表明, 莫来石含量对气孔率有很大的影响, 烧结过程中液相出现引起的收缩是气孔率下降的主要原因; 在气孔率相近的情况下, 莫来石含量较高试样的抗压强度和热导率也较高, 致密的孔壁、长柱状的莫来石晶粒使得复相多孔陶瓷的抗压强度提高. 所制备的钙长石/莫来石复相多孔陶瓷的开口气孔率介于60.8%~75.2%, 抗压强度为12.94~36.95 MPa, 热导率为0.30~1.33 W/(m·K).     

高气孔率莫来石制备、性能及其非线性导热模型

以高铝矾土、硅灰为原料, 玉米淀粉为造孔剂制备高气孔率莫来石, 通过XRD、SEM等对产物物相、形貌进行表征, 研究淀粉含量对显气孔率、体积密度和抗折强度的影响, 及不同显气孔率的莫来石随温度变化的导热系数, 建立体积密度、抗折强度与气孔率关系模型及非线性导热模型。结果表明: 体积密度、抗折强度随气孔率增加而减小, 并符合指数函数关系。导热系数随温度的升高而增大, 实测值与非线性导热模型计算值吻合较好, 非线性导热模型能够准确地反映高气孔率莫来石导热系数与温度、气孔率、平均孔径和热辐射等之间的关系。     

基于二维Voronoi模型的多孔泡沫金属导热性能模拟研究

多孔金属材料作为新型功能材料具有密度低、强度高、导热性能优良等特性,应用前景广阔,受到越来越多的关注。多孔材料的有效导热系数与随机孔隙结构相关,仅用孔隙率不足以描述真实材料的孔隙结构。采用二维Voronoi模型,定义孔隙随机度S和孔隙率ε作为孔隙结构参数,通过调节核点位置偏移因子α和边宽系数β改变模型的随机度S和孔隙率ε,分析随机度S和孔隙率ε对相对有效导热系数k*的影响。结果表明,随机度和孔隙率同时影响多孔泡沫材料的有效导热系数,当随机度S一定时,随着孔隙率ε增大,材料的有效导热系数k*减小;当孔隙率ε一定时,随着随机度S的增大,有效导热系数k*减小。根据大样本的有限元数值模拟结果,拟合了有效导热系数由孔隙率和随机度组成的函数表达式。     

具有多孔基体复合相变储能材料研究

本文提出了研制一种具有多孔基体的复合相变储能材料，通过实验分析了该储能材料的融解温度、融解热、热稳定性及微相结构等性能。该储能材料是由两种有机相变材料组成，通过物理吸附的方法将其复合在多孔基体材料中。在热分析中，用示差扫描量热仪(DSC)来测定储能材料的融点、融解热，用热重分析仪(TGA)测定其热稳定性，并用扫描电镜(SEM)观测了该储能材料的微相结构。测试结果表明该储能材料具有较高的相变潜热和较好的热稳定性，可被应用于储能和热能回收系统中。     

Low thermal conductivity and high porosity ZrC and HfC ceramics prepared by in-situ reduction reaction/partial sintering method for ultrahigh temperature applications

Porous ultra-high temperature ceramics(UHTCs) are potential candidates as high-temperature thermal insulation materials. However, high thermal conductivity is the main obstacle to the application of porous UHTCs. In order to address this problem, herein, a new method combining in-situ reaction and partial sintering has been developed for preparing porous Zr C and Hf C with low conductivity. In this process, porous Zr C and Hf C are directly obtained from ZrO_2/C and HfO_2/C green bodies without adding any pore-forming agents. The release of reaction gas can not only increase the porosity but also block the shrinkage. The asprepared porous Zr C and Hf C exhibit homogeneous porous microstructure with grain sizes in the range of 300–600 nm and 200–500 nm, high porosity of 68.74% and 77.82%, low room temperature thermal conductivity of 1.12 and 1.01 W·m~(-1) K~(-1), and compressive strength of 8.28 and 5.51 MPa, respectively.These features render porous Zr C and Hf C promising as light-weight thermal insulation materials for ultrahigh temperature applications. Furthermore, the feasibility of this method has been demonstrated and porous Nb C, Ta C as well as Ti C have been prepared by this method.     

TATB填充高聚物复合材料有效热导率数值模拟

在细观层次上将1,3,5-三氨基-2,4,6-三硝基苯（TATB）/高聚物（TATB/PBX）视为由TATB颗粒、高聚物及微孔隙组成的三相复合材料。采用蒙特卡罗方法,建立了能够反映PBX细观结构的代表体积单元（RVE）模型,该模型可以生成高聚物颗粒和微孔隙随机分布、填充物体积分数和孔隙率任意调整的有限元计算（FEM）模型。研究了TATB填充体积分数、孔隙率和分布对TATB/PBX有效热导率的影响。结果表明：TATB/PBX有效热导率随着TATB体积分数的增加而增大;在相同的TATB填充体积分数下,随着孔隙率的增大,TATB/PBX的有效热导率呈指数减小,但孔隙的空间分布对有效热导率影响不大。模拟值与实验结果具有较好的一致性,证明所建二维RVE三相有限元模型可以用来预测TATB/PBX的有效热导率。     

ON THERMAL CONDUCTIVITY OF POROUS MATERIALS: COMPACTED COLD-PRESSED ZINC OXIDE AND CHARCOAL POWDERS

A semi-absolute steady-state method is applied to measure the thermal conductivity of powder material, manufactured in the form of small discs having different porosities, within the technically possible porosity range (50-70%). The results show that heat-transfer through porous materials depends on the porosity and on other factors. These results are represented by a family of curves, which tend to converge to a point as the volume fraction of the solid phase increases (porosity decreases). As a result of this work, the value of porosity is determined, at which all the samples having the same porosity will have nearly the same thermal conductivity.