氣凝膠及其復(fù)合絕熱材料熱輻射物性研究

氣凝膠及其復(fù)合絕熱材料熱輻射物性研究

0熱輻射機(jī)理研究氣凝膠及其復(fù)合絕熱材料具有導(dǎo)系數(shù)低、抗熱老化性能好、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，已引起國(guó)內(nèi)外許多科學(xué)家的廣泛研究。多孔性氣凝膠及其復(fù)合絕熱材料內(nèi)的熱量傳輸機(jī)理包括固體導(dǎo)熱、氣相導(dǎo)熱和熱輻射。由于孔隙率高,熱輻射是這類材料主要的熱量傳遞方式之一。雖然可以通過(guò)真空狀態(tài)下導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量來(lái)排除氣相導(dǎo)熱對(duì)總導(dǎo)熱系數(shù)的貢獻(xiàn),但要想通過(guò)導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量來(lái)單獨(dú)考察熱輻射的影響還是相當(dāng)困難的。目前為止,對(duì)氣凝膠及其復(fù)合絕熱材料中輻射傳遞機(jī)理的認(rèn)識(shí)還較少。本文主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論方法的結(jié)合研究氣凝膠及其復(fù)合絕熱材料的輻射傳遞規(guī)律。通過(guò)采用傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)測(cè)量多孔材料的光譜穿透率,來(lái)確定其光譜衰減系數(shù)和Rossland平均質(zhì)量衰減系數(shù)。通過(guò)瞬態(tài)熱帶法測(cè)量得到的導(dǎo)熱系數(shù)推演得到多孔絕熱材料輻射導(dǎo)熱系數(shù),進(jìn)而與通過(guò)擴(kuò)散近似模型得到的預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比研究。1材料的試樣制備被測(cè)材料分別為SiO2氣凝膠(83kg/m3,114kg/m3和185kg/m3),硬硅鈣石型硅酸鈣(107kg/m3)和陶瓷纖維(44.7kg/m3)。硬硅鈣石-氣凝膠(223kg/m3)和陶瓷纖維-氣凝膠復(fù)合絕熱材料(103kg/m3)的輻射特性通過(guò)復(fù)合材料的成分計(jì)算分析得到。材料的詳細(xì)制備過(guò)程可參見(jiàn)文獻(xiàn)和文獻(xiàn)。采用的FTIR為Nicolet470型,光譜范圍2.5～25μm。光譜穿透率定義為透過(guò)樣品的輻射強(qiáng)度Iλ(L)與樣品前表面輻射強(qiáng)度Iλ(0)的比值,即τλ=Iλ(L)/Iλ(0)。測(cè)量中,由于很難制備很薄的試樣以滿足FTIR測(cè)得滿意的紅外光譜信號(hào),這里將干燥過(guò)的樣品研磨成粉末,然后采用溴化鉀溶液(KBr)進(jìn)行稀釋后壓制成薄片(KBr對(duì)紅外輻射是透明的)。薄片試樣所對(duì)應(yīng)的塊體絕熱材料厚度估計(jì)為這里W為通過(guò)溴化鉀溶液制成的薄片試樣的質(zhì)量,P是被測(cè)試樣在薄片試樣中的質(zhì)量百分?jǐn)?shù),ρ是塊體試樣的密度,A是圓形薄片試樣的截面積。測(cè)量中,不同薄片試樣的尺寸是一樣的,相對(duì)應(yīng)的厚度通過(guò)改變薄試樣中絕熱材料的含量和試樣的質(zhì)量而改變。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)對(duì)多個(gè)試樣進(jìn)行測(cè)量而取平均值,盡量減少測(cè)量誤差。2結(jié)果與討論2.1各類密度二氧化碳?xì)饽z的光學(xué)性質(zhì)氣凝膠和硬硅鈣石型硅酸鈣的光譜穿透率如圖1和圖2所示。測(cè)試結(jié)果表明,所有試樣的光譜穿透率都具有明顯的光譜依賴性,穿透率隨被測(cè)試樣厚度的降低而增加,隨樣品密度的增加而降低。三種不同密度的二氧化硅氣凝膠試樣的穿透率光譜依賴性基本相同,并呈現(xiàn)三個(gè)主要峰值,分別為4μm,7μm和11μm,一個(gè)主要波谷在9μm處,如圖1所示。不同密度的二氧化硅氣凝膠試樣采用相同原料制備而成,不同的只是密度,因此熱輻射傳輸機(jī)理相同,光譜依賴性也就相同。硬硅鈣石型硅酸鈣的光譜穿透特性和二氧化硅氣凝膠的特性區(qū)別不大,因?yàn)樗鼈兌际枪栀|(zhì)材料。與二氧化硅氣凝膠相比,硬硅鈣石型硅酸鈣在短波區(qū)具有更大的光譜穿透能力,在4μm和13μm處存在兩個(gè)主要穿透峰,在10μm處具有一個(gè)主要谷值。這些特性對(duì)熱輻射的傳輸具有顯著影響。2.2輻射導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定物理上,質(zhì)量光譜衰減系數(shù)表征的是熱輻射強(qiáng)度在材料內(nèi)部的衰減能力,對(duì)于均質(zhì)各向同性材料,它是材料的固有參數(shù),而與材料的密度和厚度無(wú)關(guān),由貝爾定律可得質(zhì)量光譜衰減系數(shù)為:這里ρ是被測(cè)材料密度。通過(guò)測(cè)量的光譜穿透率計(jì)算得到的質(zhì)量光譜衰減系數(shù)如圖3和圖4所示。二氧化硅氣凝膠的光譜衰減系數(shù)在8～25μm光譜范圍內(nèi)具有很高的數(shù)值(>100m2/kg),但在短波范圍內(nèi)(7μm以下)明顯減小,但最低值大于7m2/kg。對(duì)于工程應(yīng)用,Rosseland平均質(zhì)量衰減系數(shù)Ke,m要比質(zhì)量光譜衰減系數(shù)Kλ,m應(yīng)用更廣。Ke,m表征的是材料對(duì)熱輻射的總體阻礙能力,定義為這里eb,λ和eb分別為黑體的光譜輻射力和總輻射力。eb,λ由黑體的普朗克定律所描述。根據(jù)測(cè)量到的Kλ,m,應(yīng)用方程(3)可計(jì)算得到Ke,m,并進(jìn)一步采用Rossland方程計(jì)算輻射導(dǎo)熱系數(shù):這里σ=5.67×10-8W/(m2·K4)是斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù),T是材料局部溫度。三種試樣的總衰減系數(shù)Ke,m隨溫度的變化關(guān)系如圖5所示。結(jié)果表明,所有試樣的Rossland平均質(zhì)量衰減系數(shù)都隨著溫度的升高而降低。這是因?yàn)殡S著溫度的升高,短波輻射將增強(qiáng),而被測(cè)試樣在短波區(qū)的光譜衰減系數(shù)恰好相對(duì)較小。2.3氣固耦合導(dǎo)熱系數(shù)除了上述測(cè)量和討論的熱輻射參數(shù),我們還采用瞬態(tài)熱帶法測(cè)量了氣凝膠及其復(fù)合絕熱材料在不同溫度和不同壓力下的總導(dǎo)熱系數(shù)。然而即便是在真空狀態(tài)下測(cè)量得到的導(dǎo)熱系數(shù)也是由輻射和固體導(dǎo)熱共同作用的結(jié)果,很難將二者區(qū)分開(kāi)來(lái)。根據(jù)Rossland擴(kuò)散方程模型,對(duì)于一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱,總熱流可近似為這里qc和qr分別代表導(dǎo)熱熱流和熱輻射熱流;kc和kr是相應(yīng)的氣固耦合導(dǎo)熱系數(shù)和輻射導(dǎo)熱系數(shù)。對(duì)于氣凝膠,硬硅鈣石型硅酸鈣和硬硅鈣石-氣凝膠復(fù)合絕熱材料,我們分別建立了相應(yīng)的氣固耦合導(dǎo)熱系數(shù)分析模型。因此輻射導(dǎo)熱系數(shù)值可以通過(guò)測(cè)量得到的總導(dǎo)熱系數(shù)值ke減去分析模型預(yù)測(cè)的氣固耦合導(dǎo)熱系數(shù)kc得到。另外,一旦知道試樣的平均質(zhì)量衰減系數(shù),其輻射導(dǎo)熱系數(shù)也可以通過(guò)方程(4)計(jì)算得到。氣凝膠、硬硅鈣石型硅酸鈣及其復(fù)合材料的輻射導(dǎo)熱系數(shù)預(yù)測(cè)值如圖6所示,這里同時(shí)與瞬態(tài)熱帶法測(cè)量得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值之間存在一定偏差?？紤]到多孔介質(zhì)內(nèi)熱輻射傳輸?shù)膹?fù)雜性以及熱輻射分析模型的各種簡(jiǎn)化,這種偏差并不大。研究結(jié)果表明,所有試樣的輻射導(dǎo)熱系數(shù)幾乎都和溫度的立方呈正比,并隨材料密度的增加而降低。這是因?yàn)殡S著溫度的增加,Rossland平均質(zhì)量衰減系數(shù)Ke,m雖然有所降低,但變化并不大,尤其是當(dāng)T>500K時(shí),變化更不明顯。圖6表明,硬硅鈣石-氣凝膠復(fù)合絕熱材料的輻射導(dǎo)熱系數(shù)要比硬硅鈣石型硅酸鈣和氣凝膠的輻射導(dǎo)熱系數(shù)都要低,這是因?yàn)閺?fù)合絕熱材料的密度最大,對(duì)紅外輻射的阻礙能力最強(qiáng)的緣故。3輻射導(dǎo)熱系數(shù)與質(zhì)量光譜衰減系數(shù)本文主要研究了二氧化硅氣凝膠、硬硅鈣石型硅酸鈣、陶瓷纖維以及它們的復(fù)合絕熱材料的熱輻射特性。通過(guò)采用傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)測(cè)量不同厚度多孔絕熱材料的光譜穿透率,進(jìn)而確定了相應(yīng)的質(zhì)量光譜衰減系數(shù),Rossland平均質(zhì)量衰減系數(shù)和輻射導(dǎo)熱系數(shù)。結(jié)果表明幾種絕熱材料