2015年2月8日星期日

工程熱物理所新型高效隔熱材料熱調控研究取得新進展



通過“節流”來提高能源使用效率,大樓防爆模是在現有能源結構和使用模式狀態下,解決能源緊缺問題最有效、直接、現實的途徑,而開發新型高效智能微納米熱調控材料對於大幅度提高國民經濟各領域的節能效率,具有重大的現實意義。近年來,微納米結構對於材料熱物理性質的顯著影響已經得到證實和廣泛關注,進一步揭示微納尺度下的熱物理規律,對於指導高效節能材料的設計合成至關重要。目前人們對在微納米尺度上熱傳遞的表征和基本規律認識尚不完善,嚴重阻礙了新型高效智能微納米材料的設計和開發。基於此背景,研究新型高效智能微納米材料熱調控的方法顯得日益迫切。

高強度聚甲基丙烯酰亞胺(polymethacrylimide,pmi)泡沫作為一種新型高效智能微納米材料一直受到了關注,因其優良的隔熱紙耐高溫及隔熱特性,常作為樹脂基復合材料三明治夾層結構材料,在風力發電機葉片,飛機、直升機機翼、大型船舶、雷達天線罩等領域有廣泛的用途。新一代通過分子剪裁和重組等關鍵技術制備的高強度pmi泡沫實現了高強度(7。5mpa)、高模量及高耐溫(230℃)性能。然而,關於其熱學性能的調控還沒有形成理論,阻礙了對其結構的優化設計及隔熱性能的進一步提升。

近日,中國科學院工程熱物理研究所傳熱傳質研究中心科研人員研究出高強度pmi泡沫的熱輸運性能與微觀結構的定量表述關系。pmi泡沫微觀下的形貌可以比擬於蜂窩狀的閉孔類五邊形十二面體結構(見圖1)。這種形貌結構的直接結果是pmi泡沫的熱輸運主要由三種模式決定:固相熱傳導、氣相熱傳導和熱輻射。科研人員建立了針對這種微觀形貌結構的等效熱導率計算模型,並與實驗表征的一系列具有不同表觀密度的高強度pmi泡沫的等效熱導率進行了比較。研究獲得了一系列重要結果:1。該模型可以精確描述此類閉孔類五邊形十二面體泡沫結構的熱導率,氣相熱傳導主導了泡沫的熱輸運,其次是固相熱傳導,熱輻射的貢獻最小;汽車隔熱紙2。與結構參數(壁面厚度,隔斷直徑,單元直徑)相比,密度在影響pmi泡沫熱輸運方面起到了決定性的作用(圖2所示)。對於固定幾何尺寸的pmi泡沫,其有效熱導率可通過調整至最佳密度而得到進一步的優化;3。熱導率隨溫度成線性增長的趨勢(圖3所示),這是因為主導熱輸運的氣相熱導率隨溫度成線性增長。該計算模型能為高強度pmi泡沫的熱調控提供理論指導。


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