微波制備高效隔熱復合材料及熱性能模擬

1、微波制備高效隔熱復合材料及熱性能模擬魏華 周俊松 劉峰實驗學院指導教師：李 垚 一、課題研究目的SiO2氣凝膠作為業(yè)界隔熱性能最佳的材料，具有廣闊的應用前景。然而SiO2氣凝膠塊體制作難度高，工業(yè)化產(chǎn)品主要是粉體顆粒狀形態(tài)，這樣只能作為填充材料來隔熱，無法直接使用。為此我們采用復合的思想解決氣凝膠粉體應用不便的問題。通常情況下無機復合材料需要長時間較高溫度才能干燥固化形成最終的制品。這樣往往會存在三個問題。第一，需要消耗較多的能量；第二，材料制備時間長；第三，外部傳熱方式加熱，在隔熱材料內(nèi)部引起較大的溫度梯度，使得材料受熱不均，影響復合材料的均一性。對此本項目把微波加熱用于復合材料的制備，微波

2、的“體積加熱”方式保證了復合材料的均勻受熱。通過對微波功率的調(diào)整，可以在短時間內(nèi)同時完成材料的加熱、發(fā)泡、固化，具有節(jié)能、高效、清潔、便捷的特點。利用微波加熱制備的復合材料，存在著微米孔與納米孔。其微觀形態(tài)與傳熱過程較為復雜，本項目通過模擬的方法對這類多孔結構的熱學性能進行研究，以此提供多孔結構的熱學性能預測。本項目的目的是制備出一種高效的隔熱復合材料。其意義在于：1. 通過氣凝膠與無機樹脂復合拓寬了氣凝膠的應用領域；2. 微波加熱復合材料能夠同時完成發(fā)泡、加熱、固化的過程，具有節(jié)能、高效、清潔、便捷的特點；3. 基于材料微觀圖片建立模型模擬多孔材料隔熱性能，有助多孔材料熱學性能預測。二、課題

3、背景隔熱材料不僅在能源領域有著重大的意義，而且在航空航天、設備安全運行等領域也擔當著重要的作用。載人飛船和洲際導彈的翼前沿和頭部錐體，一般要經(jīng)受4000-5500的高溫；航天器再入返回時，都會經(jīng)受嚴重的氣動加熱，據(jù)文獻1報道，飛行器以8馬赫的速度在27km高度飛行時頭錐處溫度為1793，機翼或尾翼前緣的溫度高達1455，高溫對航天飛行器內(nèi)部設備的正常運轉(zhuǎn)以及宇航員的生命安全造成了嚴重威脅。2003年的美國哥倫比亞號飛船返回途中，由于航天飛機在發(fā)射升空時，一塊從外置油箱上脫落的1.21 kg重的隔熱泡沫，以800km的時速在飛機左翼前端撞出一個破洞，使其在返回大氣層時被3000的氣體將左翼燒化，

4、造成機體局部高溫最后導致機毀人亡的悲劇 2。在航天領域高效隔熱材料的重要性非同一般。 現(xiàn)在戰(zhàn)爭中紅外技術的，特別是先進的熱成像技術在現(xiàn)代兵器中的推廣應用，戰(zhàn)斗機、艦船和坦克等武器的戰(zhàn)場生存能力受到日益嚴重的威脅3。熱成像系統(tǒng)是借助目標與其背景紅外輻射的對比度而工作的。戰(zhàn)斗機、艦船及坦克的發(fā)動機在工作時，其噴嘴或是排氣道與環(huán)境有著幾百度的溫差，容易成為紅外制導武器所識別。如何降低表面溫度，減少熱輻射成為現(xiàn)代武器的關鍵問題。高效隔熱材料的應用，有助于降低坦克目標被發(fā)現(xiàn)和被識別的概率，同時可以改善操作環(huán)境，提高作戰(zhàn)能力。現(xiàn)有常用的隔熱材料可分為多孔狀隔熱材料、纖維狀隔熱材料、粉末狀隔熱材料和層狀隔熱

5、材料幾類。這些材料的隔熱方式多數(shù)是依靠減少熱量的固體傳導、限制氣體對流來提高材料的隔熱性能，而氣體傳導與輻射傳熱沒有太多的改善。常用的隔熱材料，經(jīng)過實踐的檢驗能夠有效的起到隔熱作用，但是仍然存在著一些問題，比如：隔熱效率不高，隔熱性能隨溫度變化較大，受濕度等外界因素影響較大。同時常用隔熱材料制備需要消耗大量的能量，如纖維類隔熱材料準備需要高溫熔融，無機多孔隔熱材料往往需要高溫反應使得材料膨脹產(chǎn)生氣孔4。這些制備方式不符合當前節(jié)能環(huán)保的發(fā)展理念。對此業(yè)界提出了先進隔熱材料（Advanced Insulation Materials）5與超級絕熱材料（Super Insulation Materi

6、als）6等概念，它們的特征是超高的熱阻、更薄的厚度、更輕的重量、更好的結構強度。氣凝膠與真空隔熱材料具備上述特征，代表了高效隔熱材料的發(fā)展方向。隔熱材料的另外一個發(fā)展方向是復合化7，包括材料結構的復合化與功能的復合化。復合化使得隔熱材料不僅具有良好的隔熱能力同時還具有良好的強度與其他特性如防水、高輻射率等。隔熱材料發(fā)展除了材料本身具有上述兩個趨勢外，其制造與施工過程也朝著低能耗、綠色無污染發(fā)展8。德國對石棉全面禁用9以及全球限制氟氯碳化物（CFC）發(fā)泡劑使用10預示著隔熱材料綠色化的趨勢越來越明顯。氣凝膠(aerogel)是一種由膠體粒子或高聚物分子相互聚結構成納米多孔網(wǎng)絡結構，并在孔隙中充

7、滿氣態(tài)分散介質(zhì)的一種高分散固態(tài)材料12。氣凝膠特有的三維網(wǎng)絡孔隙結構，使其具有很多獨特的性質(zhì)，包括高表面積（ >1000m2/g ）、低折射率（ 1.0-1.3 ）、低導電系數(shù)(<1.7) 、低傳熱系數(shù)（<0.5W/(m2·K)）、低聲傳播速度(< 100m/s)、低密度(100-300kg/m3)等。這使得氣凝膠具有非常廣泛的應用領域，例如可作為催化劑和催化劑載體、超級電容器、切侖可夫探測器、聲阻抗耦合材料、高效隔熱隔音材料等。由于氣凝膠納米尺度的顆粒、孔隙分布及三維網(wǎng)絡骨架結構，限制了熱量的固態(tài)傳導、氣體對流和氣體傳導。因此氣凝膠其具有很低的熱導率， Si

8、O2氣凝膠室溫條件下，密度為100kg/m3時，熱導率僅為0.02W/(m·K)13，甚至低于空氣的熱導率0.026W/(m·K)。此外SiO2氣凝膠隔熱性能在各溫度段都優(yōu)于其他隔熱材料，且其導熱系數(shù)隨溫度上升而增加的速率最小14，因此是一種輕質(zhì)、高效的隔熱材料。圖2-1 SiO2 氣凝膠在隔熱上的應用SiO2氣凝膠作為業(yè)界隔熱性能最佳的材料，具有廣闊的應用前景。然而SiO2氣凝膠塊體制作難度高，工業(yè)化產(chǎn)品主要是粉體顆粒狀形態(tài)，這樣只能作為填充材料來隔熱，無法直接使用。為此我們采用復合的思想解決氣凝膠粉體應用不便的問題。因此，本項目著眼于氣凝膠塊體的熱學性能研究，對于更大程

9、度發(fā)揮氣凝膠在熱學領域的功能大有裨益。三、課題研究主要內(nèi)容本項目有兩個出發(fā)點，即氣凝膠的應用與低能耗制造高效隔熱復合材料。通常情況下無機復合材料需要長時間較高溫度才能干燥固化形成最終的制品。這樣往往會存在三個問題。第一，需要消耗較多的能量；第二，材料制備時間長；第三，外部傳熱方式加熱，在隔熱材料內(nèi)部引起較大的溫度梯度，使得材料受熱不均，影響復合材料的均一性。對此本項目把微波加熱用于復合材料的制備，微波的“體積加熱”方式保證了復合材料的均勻受熱。通過對微波功率的調(diào)整，可以在短時間內(nèi)同時完成材料的加熱、發(fā)泡、固化，具有節(jié)能、高效、清潔、便捷的特點。通過微波加熱制備的復合材料，存在著微米孔與納米孔。

10、其微觀形態(tài)與傳熱過程較為復雜，本項目通過模擬的方法對這類多孔結構的熱學性能進行研究，以此提供多孔結構的熱學性能預測。 具體研究內(nèi)容流程圖如下：材料配比設計主體材料是疏水SiO2氣凝膠、水、硅酸鹽和固化劑，添加劑包括表面活性劑等。根據(jù)隔熱性能等需求采用正交設計方法確定實驗配方。氣凝膠與無機樹脂的混合 由于疏水氣凝膠具有極低的密度，其與硅酸鹽溶液混合將漂浮于溶液上層，兩者均勻混合。添加表面活性劑來改善。熱學模擬1.建模過程: 通過采集材料的掃描電子顯微鏡圖片，通過圖形分析確定材料的孔徑大小及分布的統(tǒng)計值。建立隨機函數(shù)并以獲得統(tǒng)計數(shù)據(jù)為條件，建立計算模型模型。2.模擬過程： 設置材料參數(shù)以及邊界條件

11、，通過熱學軟件對材料傳熱過程進行模擬。微波設備制備復合材料的工藝控制 微波加熱設備的功率控制著復合材料發(fā)泡量及孔徑的大小。本項目主要采用不同微波功率的階梯式加熱。微觀結構及性能測試 掃描電子顯微鏡研究材料的氣孔及混合的均勻程度，使用導熱測試儀測試材料的隔熱性能。同時對材料進行紅外光譜檢測和熱重差熱分析。模擬過程材料制備，表征將模擬結果與實際表現(xiàn)對比，給出材料的性能描述圖3-1 研究內(nèi)容流程圖四、結論4.1 材料制備 原材料SiO2氣凝膠（納諾高科有限公司）、鈉水玻璃（辛緒化工原料有限公司）、十二烷基磺酸鈉（天津市博迪化工有限公司）等。對于本實驗所用氣凝膠顆粒，吸收水蒸氣不損害SiO2 氣凝膠的

12、特性，但是如果把它與液態(tài)水接觸，就會產(chǎn)生嚴重的后果。羥基表面對液態(tài)水同樣有著強烈的吸引力。然而，當液態(tài)水進入氣凝膠的納米結構時，水的表面張力呈現(xiàn)出很強的毛細管力，將使SiO2 骨架破裂，最終結果是氣凝膠整體完全碎裂。解決這一問題的通常辦法是把表面極性的羥基（-OH）轉(zhuǎn)變成非極性或極性很小的基團（-OR）來防止，這里R 可以是任何脂肪族基團，但最常用的是三甲基硅烷基團(-Si-(CH3)3），該過程見圖4-1。我們選用的氣凝膠是經(jīng)過三甲基氯硅烷（TMCS）處理的憎水氣凝膠，具有很好的疏水特性，密度0.046g/cm3 導熱系數(shù)0.038 W/(m·K)。圖4-1 氣凝膠表面改性過程氣凝

13、膠的密度比水小，僅為0.046g/cm3 ，又因為其憎水性，故漂浮在水面上，如圖4-2所示。圖4-3是氣凝膠的掃描電子圖片，從中可以清晰的看到孔徑在50nm左右，并具有三維網(wǎng)絡結構。圖4-2 漂浮在水面上的憎水氣凝膠圖4-3氣凝膠掃描電子顯微鏡圖像使用的鈉水玻璃模數(shù)為3.2，波美度為40。在隨后的實驗過程中利用水玻璃的作為粘黏劑，混合粉末氣凝膠，制成塊體。水玻璃的粘接作用實質(zhì)上是二氧化硅溶膠變成二氧化硅膠體的過程，硅酸在水中的溶解度很小，但水玻璃中的n SiO2是硅酸多分子的聚合體構成的膠態(tài)顆粒。由于水和作用，膠體帶有相當?shù)年庪姾?，而周圍是等量的（H+），堿金屬離子的作用在于保持平衡穩(wěn)定。當水

14、玻璃與被粘基材脫水反應形成氫鍵時，從溶液中析出SiO2膠體，新生態(tài)的SiO2具有極大的活性，將被粘基材粘結起來 15。因此，選用水玻璃作為粘黏劑一方面可以將粉末狀氣凝膠黏成塊狀，又不會引入雜質(zhì)離子，一定程度上保證了氣凝膠能繼續(xù)發(fā)揮其特性。 圖4-4 水玻璃（俗稱泡花堿）在下面的實驗中我們還將證實發(fā)泡后的水玻璃同樣具有孔隙結構，這也能保證硅氣凝膠的三維網(wǎng)狀結構不受到破壞。 原料配比制備出實驗所需的氣凝膠塊體有以下影響因素：1）氣凝膠、水玻璃和表面活性劑間的配比；2）微波發(fā)泡所需的功率及時間為了得到最佳的實驗結果，實驗中采用不同的配比結合不同方式微波功率分別試驗以得到最好的配比。根據(jù)以上想法，試驗

15、數(shù)量組將會很多，本實驗引入正交試驗設計(Orthogonal experimental design)，它是研究多因素多水平的一種設計方法，它是根據(jù)正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗，這些有代表性的點具備了“均勻分散，齊整可比”的特點，正交試驗設計是分式析因設計的主要方法。由上我們得到以下的正交實驗表（均為質(zhì)量比）氣凝膠%水玻璃表面活性劑%試驗13961試驗23943試驗33925試驗47921試驗57912試驗67885試驗79801試驗89892試驗99865初選25g水玻璃為試驗基本量，將氣凝膠與水玻璃經(jīng)過機械攪拌后，剔除氣凝膠無法粘粘（即水玻璃過少）的組，以及混合體過稀一

16、直無法成型的組。最終得出氣凝膠混合最高質(zhì)量比為： m(水玻璃)：m（氣凝膠）=29:1 其中（Na2SiO3）=1.340 g/c m3 , (氣凝膠)=0.046 g/cm3換成體積比為：V（Na2SiO3）/V(氣凝膠)=1:1 最初考慮加入表面活性劑十二烷基磺酸鈉以降低水玻璃表面張力，助其與氣凝膠的混合，但實驗發(fā)現(xiàn)無明顯改變，所以本實驗之后未加表面活性劑。攪拌后的混合物圖像如下：混合物觸感光滑，輕質(zhì)，呈乳白色，質(zhì)地柔軟，由于含水量較大，所以不能形成固定的形狀。 圖4-5 攪拌后的硅氣凝膠-水玻璃 微波發(fā)泡 利用微波加熱，熱膨化過程穩(wěn)定,樣品可保持原料的色澤,不會使被加熱的材料發(fā)生變形,材

17、料表面平整; 箱式馬弗爐加熱膨化則不同,樣品表面易變色、變形. 微波加熱膨化過程中,樣品各部分受熱均勻,表里一致;而箱式馬弗爐加熱膨化則是從樣品表面開始,然后通過熱傳導至內(nèi)部，使物體受熱不均.從近年的研究來看,微波加熱技術已經(jīng)在許多領域得到了應用并取得了良好的效果1。特別是在本實驗中，用微波加熱可以使水玻璃粘結劑得到迅速有效的固化。微波加熱不同于由表及里的傳統(tǒng)加熱方式,它是通過電磁場的作用造成介質(zhì)損耗而形成的一種“體積加熱”方式,它具有節(jié)能、高效、清潔和便捷的特點。下面兩幅圖簡單示意微波加熱的原理： 圖4-6 微波發(fā)泡示意圖2微波能作用于多孔材料后,在很短的時間里,就將內(nèi)部所含水分預熱,并使之

18、氣化,同時物料內(nèi)部壓力升高,并很快達到最大值.物料內(nèi)部的濕熱交換和濕擴散,從一開始就交織在一起,短時間內(nèi),物料內(nèi)外建立起壓力差,并迅速增大,由于壓力作用進行得十分摩爾遷移將逐漸增強,成為濕分遷移的主要動力.這是濕分主要是以蒸汽形式遷移.當蒸汽遷移至物料表面后,遇到對流的空氣,大部分正氣被空氣帶走,小部分在表面滯留,這是干燥速度很快,處于恒速干燥階段.實驗表明,此種較為快捷的干燥方式對于孔狀網(wǎng)絡的破壞很小,而且微波本身是一種方便清潔能源,為了去濕徹底,我們采用穿透流的方式. 微波加熱膨化過程中,樣品各部分受熱均勻,表里一致; 此外,在微波加熱膨化過程中,作為膨化劑的水極易吸收微波而發(fā)熱,除少量的

19、傳輸損耗外,幾乎無其它能量消耗,因此微波加熱膨化過程具有較高的熱效率,據(jù)文獻表明,采用微波技術制作樣品所需能耗約為傳統(tǒng)高溫加熱膨化的82%87%。與此同時，為了保證實驗所得到的硅氣凝膠塊體孔隙均勻，必須制作合適的模具，以便發(fā)泡時各方向均勻。本實驗所采用模具為以聚四氟乙烯為原材料的承載架。聚四氟乙烯具有透氣透水的良好性能，可以保證在微波發(fā)泡過程中水蒸氣的逸散。本實驗中，為得到分布均勻的納米級空隙，整個發(fā)泡過程應遵循循序漸進的原則。經(jīng)過實驗，得到以下加熱方式為最佳：在最高功率為856W的“美的”微波爐中，首先用低火發(fā)泡，每隔1min取出置于通風環(huán)境中約30sec, 6次后改為中火，每隔1min取出

20、置于通風環(huán)境中30sec.此時即可得到水分去除完全的氣凝膠塊體。發(fā)泡后的樣品圖如下：圖4-7 發(fā)泡后的硅氣凝膠/水玻璃 圖4-8 微波發(fā)泡后的水玻璃4.2表征結果分析 掃描電子顯微鏡表征材料的組織形貌觀察材料剖面的特征、零件內(nèi)部的結構及損傷的形貌,都可以借助掃描電鏡來判斷和分析.掃描電子顯微鏡的樣品制備簡單,可以實現(xiàn)試樣從低倍到高倍的定位分析,在樣品室中的試樣不僅可以沿三維空間移動,還能夠根據(jù)觀察需要進行空間轉(zhuǎn)動,以利于使用者對感興趣的部位進行連續(xù)、系統(tǒng)的觀察分析;掃描電子顯微圖像因真實、清晰,并富有立體感。16本實驗將硅氣凝膠樣品利用SEM拍照，一方面得到其孔隙分布及大小的信息，另一方面為下

21、一步使用ANSYS熱學模擬提供依據(jù)。下圖為肉眼所見硅氣凝膠，可見其孔隙從微米孔到更致密的孔均有分布。圖4-7 肉眼下孔隙分布狀態(tài) 100倍放大后的圖像如下，可以看見分布均勻的微米孔，在熱傳導中，這種微米孔主要進行對流。而均勻的分布可以使得整體材料隔熱性能平穩(wěn)。 圖4-8 放大100倍的氣凝膠/水玻璃復合材料圖像500倍放大后的圖像如下，從這張圖片中可以清晰的看到微米孔分布均勻，管壁具有均衡的厚度，這使得材料的各部分的熱傳導性能均一，同時力學承載能力均衡。 圖4-8 放大500倍的氣凝膠/水玻璃復合材料圖像50000倍放大后的圖像中看到的孔已經(jīng)是納米級，這樣的納米孔對于氣凝膠的隔熱有著深刻的影響

22、，正因為納米級孔的存在，使得熱傳導中的分子平均自由程大大降低，從而達到良好的隔熱效果。從圖片中可以看出該樣品中的納米孔分布較為均勻。 圖4-8 放大50000倍的氣凝膠/水玻璃復合材料圖像本實驗中采用水玻璃（Na2SiO3）作為粘粘劑，發(fā)泡后的水玻璃本身也可作為隔熱材料，下圖為發(fā)泡后的水玻璃?？梢郧逦目吹狡淙S網(wǎng)狀結構。 圖4-11 SEI放大100倍下氣凝膠/水玻璃發(fā)泡的圖像 熱重、差熱測試 熱重分析法（TG），用來進行熱重分析的儀器一般稱為熱天平。它的測量原理是在給被測物加溫過程中，由于物質(zhì)的物理或化學特性改變，質(zhì)量的變化，通過記錄質(zhì)量變化時程序所走出的曲線，分析引起物質(zhì)特性改變的溫度點

23、，以及被測物在物理特性17。氣凝膠/水玻璃材料的熱重圖線如下所示：圖4-12 氣凝膠/水玻璃復合材料的熱重-差熱曲線紅色的曲線是熱重曲線，大體上可以分為3個階段。第1階段：作為粘黏劑的水玻璃中水分的蒸發(fā)，質(zhì)量減少明顯；第2階段：結合水的高溫下的散失，這一過程中質(zhì)量的減少比起前一階段稍慢；第3階段：水分基本散失，質(zhì)量保持不變。差熱分析法（DTA），差熱分析法是應用最廣泛的一種熱分析技術，它是在程序控制溫度下，建立被測量物質(zhì)和參比物的度差與溫度關系的技術。其測量原理是將被測樣品與參考樣同時放在相同的環(huán)境中同時升溫，其中參考樣品往往選擇熱穩(wěn)定性很好的物質(zhì)，同時給兩種樣品升溫過程中，由于被測樣品受熱發(fā)

24、生特性改變，產(chǎn)生吸、放熱反應，引起自身溫度變化，使得被測樣品和參考樣品的溫度發(fā)生差異。用計算機軟件描圖的方法記錄升溫過程和升溫過程中溫度差的變化曲線， 最后獲取溫度差出現(xiàn)時刻對應的溫度值（引起樣品產(chǎn)生溫度差的溫度點），以及整個溫度變化完成后的曲線面積，得到在本次溫度控制過程中被測樣品的物理特性變化過程及能量變化過程。 黑色曲線是差熱曲線，從開始到650攝氏度由于水分的散失，材料一直吸熱，之后出現(xiàn)了放熱現(xiàn)象，考慮到水玻璃混合后的氣凝膠/水玻璃在400攝氏度時已經(jīng)出現(xiàn)了燒結，所以當650度時燒結明顯，其結構可能發(fā)生了變化，導致放熱。 紅外光譜測試官能團紅外光譜與分子的結構密切相關，是研究表征分子結

25、構的一種有效手段，紅外光譜可以研究分子的結構和化學鍵，如力常數(shù)的測定和分子對稱性等，利用紅外光譜方法可測定分子的鍵長和鍵角，并由此推測分子的立體構型。根據(jù)所得的力常數(shù)可推知化學鍵的強弱，由簡正頻率計算熱力學函數(shù)等。分子中的某些基團或化學鍵在不同化合物中所對應的譜帶波數(shù)基本上是固定的或只在小波段范圍內(nèi)變化，因此許多有機官能團例如甲基、亞甲基、羰基，氰基，羥基，胺基等等在紅外光譜中都有特征吸收，通過紅外光譜測定，就可以判定未知樣品中存在哪些有機官能團。下圖為純水玻璃、氣凝膠/水玻璃復合材料以及憎水處理后氣凝膠的紅外光譜圖。863、845、754cm-1是硅甲基的吸收峰，從第三條曲線不難看出，憎水處

26、理后的氣凝膠中的羥基明顯減少，取而代之的是硅烷基的增加。而氣凝膠/水玻璃復合材料也含有硅甲基，就有一定程度的憎性。氣凝膠/水玻璃的憎水性如圖所示 圖4-13 水玻璃、氣凝膠/水玻璃復合材料、憎水氣凝膠紅外光譜圖 導熱系數(shù)測定材料的熱導率是研究材料物理性能的一個重要參數(shù)指標，尤其對于本項目，研究隔熱性能優(yōu)越的氣凝膠在成為塊體后的隔熱性能本實驗采用護熱平板法，基于單向穩(wěn)定導熱原理，當試樣上、下兩面處于不同的穩(wěn)定溫度下，測量通過試樣有效傳熱面積的熱流及試樣兩表面間溫差和厚度，計算導熱系數(shù)。示意圖如下: 計算公式：=(q·d)/（S·T）其中q為熱流功率， d為試驗樣品厚度， S為

27、電熱膜面積，T為穩(wěn)態(tài)時材料上下面溫度差。多次實驗后得到硅氣凝膠-水玻璃的一維導熱系數(shù)為0.053W/(m·K), 而單純水玻璃的一維導熱系數(shù)為 0.071 W/(m·K)，比之于氣凝膠0.038 W/(m·K)的導熱系數(shù)，有所升高，可以認為是添加了水玻璃后導致的整體導熱系數(shù)升高，但成為塊體的硅氣凝膠-水玻璃不僅有固定的形態(tài)，具有一定的力學性能，依然保持三維網(wǎng)狀結構，所以其熱學性能并未收到太大的影響，依然不失為一種良好的高效隔熱材料。4.3 ANSYS 熱學模擬分析ANSYS是一個數(shù)值分析商業(yè)軟件，主要針對于爆炸，沖擊的數(shù)值模擬。 ANSYS 作為業(yè)界廣泛使用的大型

28、通用有限元分析軟件，它集合了結構、熱、流體、電磁、聲學于一體，擁有豐富和完善的單元庫、材料模型庫和求解器，能高效的求解各類線性和非線性、模態(tài)分析、瞬態(tài)分析以及各種耦合問題。熱分析作為ANSYS 的一個重要模塊，主要是用于計算一個系統(tǒng)或部的溫度分布及其它熱物理參數(shù)，如熱量的獲取或損失、熱梯度、熱流密度等。 ANSYS 熱分析基于能量守恒原理的熱平衡方程，用有限元法計算各節(jié)點的溫度，并導出其它熱物理參數(shù)。ANSYS 熱分析包括熱傳導、熱對流及熱輻射三種熱傳遞方式。此外，還可以分析相變、有內(nèi)熱源、接觸熱阻等問題。ANSYS 熱分析分為兩類分類：一類式系統(tǒng)的溫度場不隨時間變化的穩(wěn)態(tài)傳熱問題；另一類是系

29、統(tǒng)的溫度場隨時間明顯變化的瞬態(tài)傳熱問題。本文模擬針對的問題表述如下：以恒定熱流密度對復合材料板一面加熱，這塊復合材料板暴露在靜止空氣中并且它的導熱系數(shù)隨溫度變化，通過模擬需要了解從加熱到穩(wěn)定的整個過程。這是一個非線性瞬態(tài)傳熱問題，可以通過式(1-1)來表述其數(shù)學模型。CT&+ K(T)T=Q (1-1)式中 K(T)傳導矩陣，其隨溫度變化，包含導熱系數(shù)、對流系數(shù)及輻射率和形狀系數(shù)；C比熱矩陣,考慮系統(tǒng)內(nèi)能的增加；T節(jié)點溫度向量；T&溫度對時間的導數(shù)；Q節(jié)點熱流率向量，包含熱生成。本文模擬的問題的材料尺寸、材料參數(shù)、邊界條件、荷載見下：材料尺寸(長× 寬× 高

30、): 0.06m× 0.06m× 0.0085m導熱系數(shù): 0.05985+1.0857×10-4T W/(m·)熱容: 1.05J/( kg ·)材料參數(shù)（aerogel 70%vol）:密度: 0.5 Kg/m3換熱系數(shù): 10 W/(m2·)邊界條件 空氣熱容: 1.005 J/( kg ·)初始溫度: 30荷載 熱流密度: 762.5 J/m2 模擬結果分析1.將制作的材料看作為 （10m× 10m× 1m）的平板進行模擬其邊界條件分別是：右板面200，左板面20，其它板面絕熱 得到的結果如圖4-

31、3所示：圖4-3最后的絕熱板的大致導熱系數(shù)為0.05左右實驗中測得的導熱系數(shù)約在0.02-0.09之間五、問題、體會與收獲項目進行中遇到的問題整個項目中最大的問題出現(xiàn)在如何微波發(fā)泡水玻璃氣凝膠混合體時，由于水玻璃是作為膠黏劑存在，利用其粘性將其凝膠的顆粒包裹，所以發(fā)泡時應注意各向同性，否則很容易導致空隙分布不均勻。與此同時，微波發(fā)泡時會出現(xiàn)大量水的逸散，如何調(diào)節(jié)微波發(fā)泡的進度及方式使得發(fā)泡出的微孔既有微米級又有納米級，這兩個問題一直伴隨著實驗的進行。最后，經(jīng)過多次摸索對比，制定了最初2min用小功率緩慢發(fā)泡，使水平穩(wěn)溢出，隨后從中火過渡到大功率，并每隔1min將樣品取出置于空氣中。經(jīng)此種發(fā)泡方

32、式的氣凝膠塊體空隙均勻且無大型空洞。另外，對熱重-差熱的曲線分析中出現(xiàn)了復合材料放熱的預想不符情況，后經(jīng)查閱相關資料得出了自己的推論：SiO2出現(xiàn)了燒結晶化。對于高溫燒結下硅氣凝膠的表現(xiàn)還有待進一步研究，就目前所做的實驗來看，在300攝氏度左右時出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象，很可能對對于其網(wǎng)絡結構、隔熱性能產(chǎn)生了影響。收獲與體會 細心和耐心是在做實驗過程中我們最大的體會。在最初進行配比摸索的實驗時，采用正交法，有很多組實驗需要做，并且要時時對比以得到最佳配比，這一過程持續(xù)了相當長時間，很多時候都是無功而返，但正應了古語“功夫不負有心人”，最佳配比終于在大量實驗后得到。團隊合作也是我們從這個項目中收獲的。從實驗

33、的準備來說，一起從廠家訂購實驗藥品，選擇最符合條件的實驗檢測手段，體現(xiàn)了集體的強大智慧。有時候一個人的思維容易形成定勢，在一個固定的角度很難轉(zhuǎn)彎，而隊友的提示是非常關鍵的。在實驗后期進行數(shù)據(jù)分析時出現(xiàn)了有悖于理論的結論，苦苦思索而不得其結果，在多次討論后終于有了一個較為合理的解釋。如此種種，從此項目中每個成員受益頗多。六、建議在實驗進行中，略除設計方案的紕漏，實驗器材的不充足以及檢測手段的缺乏不面對實驗的完成情況有所影響。用微波發(fā)泡氣凝膠時，很關鍵的一點時各處發(fā)泡的均勻，如果有一臺旋轉(zhuǎn)微波發(fā)射儀，那么均勻程度會得到保證，條件所限，最后采用了聚四氟乙烯的模板，雖說一定程度上提高了均勻性，但效果顯然較前者要遜色些。