[发明专利]一种等效热导率快速预测方法

说明书

一种复杂使用环境下气凝胶类纳米多孔复合隔热材料等效热导率快速预测方法，建立了可扩充的计算对象基本参数数据库；将气凝胶类纳米多孔复合隔热材料按照材料内部结构特征尺度的不同，分为纳米尺度结构及微米尺度结构的多尺度典型结构；先计算得到纳米尺度结构干燥状态下的等效热导率，同时针对复杂使用环境中环境湿度导致的材料吸潮特点，建立了考虑含湿的分形交叉球杆‑非均匀水膜等效结构模型；对微米尺度结构，以纳米尺度典型结构的等效热导率计算结果为基础，实现了气凝胶类纳米多孔复合隔热材料多尺度传热及等效热导率的理论预测；本发明可有效实现气凝胶类纳米多孔复合隔热材料等效热导率的准确预测。

技术领域

本发明属于新型气凝胶类复合材料热物性参数研究技术领域，特别涉及一种复杂使用环境下气凝胶类纳米多孔复合隔热材料等效热导率快速预测方法。

背景技术

进入21世纪以来，高科技的飞速发展对高性能材料的要求越来越高，特别是航空、航天及空间技术等高新技术的发展对隔热材料不断提出新的要求。而许多传统的隔热材料已不再适合这些领域的要求。因此，利用纳米技术研制新型的超级隔热材料以及多功能复合型隔热材料已成为隔热材料发展的主要趋势。

气凝胶材料是一种由纳米量级的胶体粒子相互聚集而形成纳米多孔网络结构的新型材料。由于其特殊的纳米尺度结构，显著降低了气凝胶材料的气相导热、固相导热等热量传递方式，因而气凝胶具有极低的热导率(常温热导率低于空气)，并被视作可应用于航空航天、建筑环境等各种领域的、极具潜力的超级隔热材料。

气凝胶具有纳米级的颗粒骨架(2～5nm)和孔径尺寸(～20nm)，这些纳米尺度对于材料内部的气相、固相以及辐射传热均具有显著影响，其内部存在的尺寸效应、界面效应以及近场辐射效应使得气凝胶隔热材料的传热分析十分复杂。同时，气凝胶的低密度、高孔隙率导致其力学性能较差，气凝胶强度低、脆性大；气凝胶对波长为3～8m的近红外具有较强的透过性，致使二氧化硅气凝胶在高温下遮挡红外辐射能力较差，热导率上升较快，高温隔热效果还有待改善。这两方面缺点促使人们通过向气凝胶中引入增强纤维以及遮光剂来制备满足使用要求的气凝胶复合材料。增强纤维及遮光剂的引入也使得气凝胶内部的传热分析变的更为复杂。

同时由于气凝胶材料表面存在的亲水性羟基团以及材料内部存在大量的微纳孔隙，导致材料在温湿环境中有较强的吸潮特性。吸湿后气凝胶的热导率显著增加，相关实验表明，室温条件下相对湿度90％时未进行表面改性处理的含湿气凝胶材料的热导率相比干燥状态下的热导率增长超过100％，材料隔热性能恶化。因此需要研究不同含湿条件下气凝胶材料的等效热导率变化规律，为材料在不同复杂使用环境中的应用提供指导。

传统的基于经验关联式，或基于规则结构单元模型所建立的气凝胶材料等效热导率计算模型存在适用范围窄、预测精度低、与影响材料等效热导率的各因素之间的机理关联性不强。传统的多孔介质含湿热导率理论模型亦无法准确预测气凝胶材料在含湿状态下的等效热导率。在将气凝胶隔热材料应用于实际的热防护系统当中，出现了热导率预测偏差大、材料体系设计失效等一系列问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种复杂使用环境下气凝胶类纳米多孔复合隔热材料等效热导率快速预测方法，采用分级建模-逐级计算的思想，针对气凝胶类纳米多孔复合隔热材料在不同复杂使用环境中等效热导率进行理论预测计算，提高了气凝胶类隔热材料等效热导率的预测精度，可有效实现气凝胶类纳米多孔复合隔热材料等效热导率的快速/准确预测。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种复杂使用环境下气凝胶类纳米多孔复合隔热材料等效热导率快速预测方法，包括如下步骤：

1)对气凝胶类纳米多孔复合隔热材料，建立可扩充的计算对象基本参数数据库，数据库包括气凝胶基体材料，不同环境气氛下的气相组分，不同遮光剂颗粒材料以及不同增强纤维材料；