二氧化硅气凝胶材料热传导尺寸效应的实验研究

摘要：运用美国Anter公司6000型平板导热仪对二氧化硅气凝胶材料热传导尺寸效应进行了实验研究。结果表明，二氧化硅气凝胶材料的热导率随着厚度的增加有显著的尺寸效应（即sizeeffect)。
　　关键词：二氧化硅气凝胶材料；厚度；热导率；尺寸效应
　　
　　0引言
　　美国宇航局科学家研制出的Si02气凝胶，密度仅为3kg/m3，作为世界最轻的固体，已人选吉尼斯世界纪录。其独特的三维网络结构、气体分散介质以及纳米量级的固体相和孔隙结构使其具有独特的物理化学性质，如：在固体材料中它的密度最低、热导率最小(室温真空热导率可降低至0．001W/m•K)、声传递速度最低、孔隙率最高(可达99．8％)，比表面积较高(可达1000m2/g)、热稳定性好等等。因此作为透明隔热保温材料可用于建筑墙材、保温窗、太阳能集热器、太阳能房子和航天航空器上理想的隔热层等；在光学方面的应用可用于制造特殊环境使用的透镜、Cerenkov探测器；在电学方面可作为双层电化学电容器和高效可充电电池的电极材料；另外在声学、催化医学和生命科学等领域都表现出很好的应用价值．所以对SiO2气凝胶的研究成为一个热点问题。
　　但是SiO2气凝胶也存在力学性能较弱、容易散等特点：脆性大、强度弱。氧化硅气凝胶与纤维复合，纤维可以起到强化作用，此复合材料是国内国外的很多研究的重点。
　　氧化硅气凝胶对于波长为3～5μm高温近红外热辐射具有较强的透过性，而红外辐射产生的热导与温度的3次方成正比，因此，温度升高，气凝胶的热导率上升较快。而当氧化硅气凝胶与纤维复合后，一方面，低热导的气凝胶降低了固体传热，气凝胶纳米孔径抑制空气对流传热，气凝胶与纤维的复合减少了纤维一纤维接触传热，导致大部分固体传热通过低热导率的气凝胶传递，同时气凝胶充分填充纤维间的空洞，有效抑制了自由气体分子的传热。另一方面，纤维本身的挡红外能力较强，提高了复合材料抗红外辐射能力。因此，气凝胶复合材料在常温、高温都具有优异的隔热性能。
　　对国产的某二氧化硅气凝胶材料进行了一系列的测试。从实验结果发现，二氧化硅气凝胶厚度变化时，其导热系数不再为一定值，而是随板厚的增大而显著地减小。
　　
　　1试验
　　1.1试验原理

　　见原理示意图。
　　1.2试验
　　国产的某二氧化硅气凝胶纤维复合材料，安排试验如下，验证厚度对导热系数的影响，如表1
　　表1二氧化硅气凝胶材料导热系数-厚度变化表（试验温度25℃）
　　
　　厚度（mm） 5 10 15 20
　　导热系数（W/m.K） 0.0223 0.0214 0.0205 0.0190
　　
　　
　　实验结果表明，二氧化硅气凝胶材料随着厚度的增加，导热系数显著减小的这特性不再遵循各向同性介质中的Fourier导热定律。一般来说，导热热流速率方程是研究各类导热问题的理论基础，它把导热热流密度与物体内特定地点、特定时刻的温度(梯度)联系在一起，该方程即著名的傅里叶导热定律。它不是从基本物理原理推导出来的，而是通过对大量实验现象的观察和总结得到的。傅里叶导热定律可以表述为：任意时刻，各向同性的连续介质中任何地点的局部导热热流密度数值上与该点的温度梯度成正比，方向相反。
　　3结束语
　　运用美国Anter公司6000型平板导热仪对二氧化硅气凝胶材料热传导尺寸效应进行了实验研究。结果表明，二氧化硅气凝胶材料的热导率随着厚度的增加有显著的尺寸效应（即sizeeffect)。
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