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王硕林同学在《Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers》上发表论文

发布日期:2022-01-21

气凝胶是一种由纳米级粒子聚集而成的、具有三维连续网络结构的多孔材料。凭借其特殊的纳米结构,气凝胶具备极低的密度(3 ~ 350 kg/m3)、极低的热导率(0.01 ~ 0.02 W/(m∙K))以及极高的孔隙率(80%~99%),因此广泛应用于存在绝热要求的场景。值得注意的是,在诸如航天、航空及燃烧器热管理等应用场景中,气凝胶的工作环境温度往往高于900 K。此时其他场景中广泛使用的二氧化硅气凝胶由于高温下内部二次颗粒存在融合和结晶,进而使得纳米孔结构消失,从而导致绝热性能显著下降,无法完成实际需求,而氧化铝气凝胶具有高温稳定性,因此成为高温绝热应用的理想选择。同时,气凝胶的隔热性能与材料的微观结构以及孔骨架中的传热机制密切相关,开发可将性能与微结构联系起来的热导率模型,并利用模型指导气凝胶设计是进一步降低气凝胶的热导率的有效手段与成熟思路。然而以往的研究主要集中在二氧化硅气凝胶上,氧化铝气凝胶的传热机制仍未得到充分探索,急需开发可有效预测氧化铝气凝胶复合材料的热导率模型,为指导氧化铝气凝胶复合材料的微观结构设计提供了有用的信息

围绕上述问题,华北电力大学工程热物理研究中心王硕林同学作为第一作者,金喆同学作为第二作者,王晓东教授作为通讯作者,在化工领域国际期刊Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers上发表题目为“Theoretical modeling of thermal conductivity of alumina aerogel composites based on real microstructures”的论文。在这一研究工作中,作者基于真实材料的微观结构,通过改进的并联/串联等效电路方法开发了氧化铝气凝胶-纤维-遮光剂复合材料的热导率分析模型。该模型考虑了气凝胶中的固体、气体和固-气耦合热传导,纤维和遮光剂颗粒中的固体热传导,以及气凝胶、纤维和遮光剂颗粒中的辐射换热。模型通过将预测值与测量的热导率数据进行比较验证。模型预测表明,存在两种固-气耦合传热机制,分别发生在相互连接的二次颗粒之间的拐角区域和相邻链之间的狭缝区域。由于这种耦合,气体热传导的贡献与气凝胶、纤维和遮光剂颗粒的固体热传导和辐射的贡献相当,热导率的实验测量数据也很好地支持了这一点。该模型还可用于分析各种参数对复合材料隔热性能的影响,例如纤维和遮光剂颗粒的直径和体积分数等。

该论文得到了国家自然科学基金创新研究群体科学基金(51821004)和国家自然科学基金重点项目(51936004)的资助。