气凝胶及其复合绝热材料热辐射物性研究

气凝胶及其复合绝热材料热辐射物性研究

0热辐射机理研究气凝胶及其复合绝热材料具有导系数低、抗热老化性能好、环境友好等优点。近年来，已引起国内外许多科学家的广泛研究。多孔性气凝胶及其复合绝热材料内的热量传输机理包括固体导热、气相导热和热辐射。由于孔隙率高,热辐射是这类材料主要的热量传递方式之一。虽然可以通过真空状态下导热系数的测量来排除气相导热对总导热系数的贡献,但要想通过导热系数的测量来单独考察热辐射的影响还是相当困难的。目前为止,对气凝胶及其复合绝热材料中辐射传递机理的认识还较少。本文主要通过实验和理论方法的结合研究气凝胶及其复合绝热材料的辐射传递规律。通过采用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)测量多孔材料的光谱穿透率,来确定其光谱衰减系数和Rossland平均质量衰减系数。通过瞬态热带法测量得到的导热系数推演得到多孔绝热材料辐射导热系数,进而与通过扩散近似模型得到的预测值进行对比研究。1材料的试样制备被测材料分别为SiO2气凝胶(83kg/m3,114kg/m3和185kg/m3),硬硅钙石型硅酸钙(107kg/m3)和陶瓷纤维(44.7kg/m3)。硬硅钙石-气凝胶(223kg/m3)和陶瓷纤维-气凝胶复合绝热材料(103kg/m3)的辐射特性通过复合材料的成分计算分析得到。材料的详细制备过程可参见文献和文献。采用的FTIR为Nicolet470型,光谱范围2.5～25μm。光谱穿透率定义为透过样品的辐射强度Iλ(L)与样品前表面辐射强度Iλ(0)的比值,即τλ=Iλ(L)/Iλ(0)。测量中,由于很难制备很薄的试样以满足FTIR测得满意的红外光谱信号,这里将干燥过的样品研磨成粉末,然后采用溴化钾溶液(KBr)进行稀释后压制成薄片(KBr对红外辐射是透明的)。薄片试样所对应的块体绝热材料厚度估计为这里W为通过溴化钾溶液制成的薄片试样的质量,P是被测试样在薄片试样中的质量百分数,ρ是块体试样的密度,A是圆形薄片试样的截面积。测量中,不同薄片试样的尺寸是一样的,相对应的厚度通过改变薄试样中绝热材料的含量和试样的质量而改变。实验中通过对多个试样进行测量而取平均值,尽量减少测量误差。2结果与讨论2.1各类密度二氧化碳气凝胶的光学性质气凝胶和硬硅钙石型硅酸钙的光谱穿透率如图1和图2所示。测试结果表明,所有试样的光谱穿透率都具有明显的光谱依赖性,穿透率随被测试样厚度的降低而增加,随样品密度的增加而降低。三种不同密度的二氧化硅气凝胶试样的穿透率光谱依赖性基本相同,并呈现三个主要峰值,分别为4μm,7μm和11μm,一个主要波谷在9μm处,如图1所示。不同密度的二氧化硅气凝胶试样采用相同原料制备而成,不同的只是密度,因此热辐射传输机理相同,光谱依赖性也就相同。硬硅钙石型硅酸钙的光谱穿透特性和二氧化硅气凝胶的特性区别不大,因为它们都是硅质材料。与二氧化硅气凝胶相比,硬硅钙石型硅酸钙在短波区具有更大的光谱穿透能力,在4μm和13μm处存在两个主要穿透峰,在10μm处具有一个主要谷值。这些特性对热辐射的传输具有显著影响。2.2辐射导热系数的测定物理上,质量光谱衰减系数表征的是热辐射强度在材料内部的衰减能力,对于均质各向同性材料,它是材料的固有参数,而与材料的密度和厚度无关,由贝尔定律可得质量光谱衰减系数为:这里ρ是被测材料密度。通过测量的光谱穿透率计算得到的质量光谱衰减系数如图3和图4所示。二氧化硅气凝胶的光谱衰减系数在8～25μm光谱范围内具有很高的数值(>100m2/kg),但在短波范围内(7μm以下)明显减小,但最低值大于7m2/kg。对于工程应用,Rosseland平均质量衰减系数Ke,m要比质量光谱衰减系数Kλ,m应用更广。Ke,m表征的是材料对热辐射的总体阻碍能力,定义为这里eb,λ和eb分别为黑体的光谱辐射力和总辐射力。eb,λ由黑体的普朗克定律所描述。根据测量到的Kλ,m,应用方程(3)可计算得到Ke,m,并进一步采用Rossland方程计算辐射导热系数:这里σ=5.67×10-8W/(m2·K4)是斯蒂芬-波尔兹曼常数,T是材料局部温度。三种试样的总衰减系数Ke,m随温度的变化关系如图5所示。结果表明,所有试样的Rossland平均质量衰减系数都随着温度的升高而降低。这是因为随着温度的升高,短波辐射将增强,而被测试样在短波区的光谱衰减系数恰好相对较小。2.3气固耦合导热系数除了上述测量和讨论的热辐射参数,我们还采用瞬态热带法测量了气凝胶及其复合绝热材料在不同温度和不同压力下的总导热系数。然而即便是在真空状态下测量得到的导热系数也是由辐射和固体导热共同作用的结果,很难将二者区分开来。根据Rossland扩散方程模型,对于一维稳态导热,总热流可近似为这里qc和qr分别代表导热热流和热辐射热流;kc和kr是相应的气固耦合导热系数和辐射导热系数。对于气凝胶,硬硅钙石型硅酸钙和硬硅钙石-气凝胶复合绝热材料,我们分别建立了相应的气固耦合导热系数分析模型。因此辐射导热系数值可以通过测量得到的总导热系数值ke减去分析模型预测的气固耦合导热系数kc得到。另外,一旦知道试样的平均质量衰减系数,其辐射导热系数也可以通过方程(4)计算得到。气凝胶、硬硅钙石型硅酸钙及其复合材料的辐射导热系数预测值如图6所示,这里同时与瞬态热带法测量得到的实验结果进行了对比。结果表明预测值与实验值之间存在一定偏差。考虑到多孔介质内热辐射传输的复杂性以及热辐射分析模型的各种简化,这种偏差并不大。研究结果表明,所有试样的辐射导热系数几乎都和温度的立方呈正比,并随材料密度的增加而降低。这是因为随着温度的增加,Rossland平均质量衰减系数Ke,m虽然有所降低,但变化并不大,尤其是当T>500K时,变化更不明显。图6表明,硬硅钙石-气凝胶复合绝热材料的辐射导热系数要比硬硅钙石型硅酸钙和气凝胶的辐射导热系数都要低,这是因为复合绝热材料的密度最大,对红外辐射的阻碍能力最强的缘故。3辐射导热系数与质量光谱衰减系数本文主要研究了二氧化硅气凝胶、硬硅钙石型硅酸钙、陶瓷纤维以及它们的复合绝热材料的热辐射特性。通过采用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)测量不同厚度多孔绝热材料的光谱穿透率,进而确定了相应的质量光谱衰减系数,Rossland平均质量衰减系数和辐射导热系数。结果表明几种绝热材料