【摘要】：氣凝膠是一種納米多孔輕質(zhì)隔熱材料,具有高孔隙率、高比表面積等優(yōu)異性能,可廣泛應(yīng)用于建筑節(jié)能、航空航天、催化吸附等領(lǐng)域。本文通過分子動(dòng)力學(xué)方法模擬了氣凝膠納米多孔結(jié)構(gòu)的自組裝過程,對比分析了不同密度氣凝膠的結(jié)構(gòu)及性能,并通過建立單元體傳熱模型計(jì)算得到各種氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù),分析了氣凝膠的傳熱特性。首先,對SiO_2氣凝膠進(jìn)行微觀原子尺度的動(dòng)力學(xué)計(jì)算,研究納米多孔結(jié)構(gòu)的自組裝過程,并對不同體系進(jìn)行能量、多孔結(jié)構(gòu)、原子間結(jié)合力及力學(xué)性能分析。結(jié)果表明,非鍵相互作用中的范德華力主導(dǎo)了自組裝過程。當(dāng)密度為0.078g·cm~(-3)時(shí),形成的結(jié)構(gòu)以納米團(tuán)簇為主;當(dāng)密度超過0.172 g·cm~(-3)時(shí),可形成以硅、氧元素為主體的無定形骨架結(jié)構(gòu)。原子間結(jié)合力的增強(qiáng)導(dǎo)致其運(yùn)動(dòng)活性降低,可自由移動(dòng)空間減小。當(dāng)SiO_2氣凝膠密度為0.078~0.443 g·cm~(-3)時(shí),彈性模量為0.126 5~0.788 9 MPa,與密度成線性關(guān)系。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合度較高。其次,模擬實(shí)現(xiàn)了聚脲/SiO_2復(fù)合氣凝膠納米多孔結(jié)構(gòu)的自組裝過程,并對比分析了各體系的能量、均方位移、多孔結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能等。研究表明靜電相互作用是其多孔結(jié)構(gòu)自組裝過程中的主導(dǎo)因素,且聚合鏈的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)性隨密度增加而逐漸降低。當(dāng)密度超過0.236 g·cm~(-3)時(shí),可形成骨架結(jié)構(gòu),且隨密度增加骨架結(jié)構(gòu)逐漸變粗。當(dāng)密度為0.236~0.512 g·cm~(-3)時(shí),彈性模量為85.39~213.94MPa。相比于純SiO_2氣凝膠,經(jīng)聚合物交聯(lián)后增強(qiáng)了骨架結(jié)構(gòu)中二次粒子的連接部位,彈性模量提高了190~240倍。最后,針對納米多孔絕熱材料的微觀結(jié)構(gòu),建立了納米孔隙計(jì)算模型,綜合考慮了氣凝膠顆粒的氣固耦合熱傳導(dǎo)、孔隙中的氣相傳熱及輻射傳熱,最終推導(dǎo)出有效熱導(dǎo)率的計(jì)算表達(dá)式。采用傳熱模型計(jì)算了幾種氣凝膠的熱導(dǎo)率,結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合度較高。通過分析溫度、密度、比表面積等因素對氣凝膠熱導(dǎo)率的影響規(guī)律,表明氣凝膠存在最佳密度使其導(dǎo)熱系數(shù)最低。在高溫下輻射傳熱為主要傳熱方式,添加纖維會(huì)顯著降低氣凝膠在高溫下的導(dǎo)熱系數(shù)。
【學(xué)位授予單位】：石家莊鐵道大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O648.17
【圖文】：

化進(jìn)程的發(fā)展腳步不斷加速，群眾生我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的重要因素[1]。數(shù)據(jù)耗總額的 1/3 左右，且所占比重日益提能技術(shù)的不斷改進(jìn)，建筑保溫隔熱材因此，面對日益嚴(yán)峻的能源匱乏，尋找我們當(dāng)前所面臨的首要使命。想的納米多孔保溫隔熱材料，具有高比優(yōu)異的隔熱性能[4]，在建筑節(jié)能、環(huán)境展前途[5-7]。構(gòu)量級的凝膠顆粒彼此聚集形成的一種可控的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。原有骨架中的，呈半透明淺藍(lán)色，超輕，如圖 1-1

有機(jī)氣凝膠干燥后并經(jīng)高溫下碳化處理可得到碳?xì)饽z。2013 年，高分子課題組[12]制備出密度達(dá) 0.16 mg·cm-3的“碳?xì)饽z”。SiO2氣凝膠骨架中二次粒子間的連接部位較小，因此強(qiáng)度低、脆性大此缺陷，可通過引入有機(jī)基團(tuán)得到無機(jī)-有機(jī)復(fù)合氣凝膠。隨著混合硅聯(lián)劑、TEOS)水解和縮聚反應(yīng)的進(jìn)行，有機(jī)基團(tuán)將附著在 Si-O-Si 網(wǎng)狀的表面。隨后加入交聯(lián)劑，有機(jī)基團(tuán)將進(jìn)一步在 SiO2氣凝膠骨架表面包覆有機(jī)層，如圖 1-3 所示。最終，擴(kuò)大了固體骨架結(jié)構(gòu)中二次粒子間積，SiO2氣凝膠的力學(xué)性能得到了有效的改性。Polymer Coating

圖 1-4 氣凝膠內(nèi)部的傳熱方式維網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)由許多 Si-O-Si 基團(tuán)相互連架進(jìn)行固相熱傳導(dǎo)，即氣凝膠的骨架結(jié)構(gòu)而大大降低了固相導(dǎo)熱。氣凝膠內(nèi)部的孔氣中氣相分子的平均自由程約為 70 nm。此撞或碰撞幾率很小，從而有效地降低了氣的紅外光遮擋效率較高，同時(shí)其骨架結(jié)構(gòu)應(yīng)”[15]，因而有效限制了氣凝膠的輻射熱傳氣凝膠的有效導(dǎo)熱系數(shù)比自由空間中空氣下導(dǎo)熱系數(shù)僅為 0.01～0.03 W·m-1·K-1 [16]。與常用保溫材料的性能對比見表 1-1。表 1-1 氣凝膠與常用保溫材料的性能對比導(dǎo)熱系數(shù)/(W·m-1·K-1) 強(qiáng)度

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2745940