杨海龙等：纳米隔热材料的孔隙结构特征与气体热传输特性 ·793· 隙尺度虽相对较大，但R的数值不到10，说明孔隙 量较小，未出现上述情况 结构相对较为均匀.这一归类与前述所提及的孔 2.2孔隙结构内部的本征气相贡献热导率 隙结构是否可以等效为单一尺度孔隙的分类结果 表2所示的样品中，只有孔隙率相同且孔隙结 相同. 构可以等效为单一尺度孔隙时，才能够直观地反映 G1和G2中尺度过大的孔隙结构可能是材料 出孔隙结构尺度变化对气相贡献热导率的影响，例 中的气泡，因为原材料配比中水的含量较高，加之催 如样品G3、G4、G5和G10.为进一步定量研究气相 化剂浓度较大，前驱体水解、缩聚较快，溶胶黏度增 贡献热导率与材料孔隙结构之间的关系，采用式 长较快，凝胶时间较短，因搅拌带入到溶胶中的极 (6)消除孔隙率的影响，由此获得了大气压环境下 少量空气未及时排出而残存在材料内部.G7和G8 不同尺度孔隙结构内部的本征气相贡献热导率，结 中存在更大尺度孔隙结构的原因在于，加压增密过 果如表3所示.其中，-和k:-分别为大气压环境 程中石英纤维趋向于面内分布，但压力去除后局部 下大、小孔隙结构内部的气相贡献热导率，来源于图 纤维出现了回弹，使得材料局部产生了微裂纹缺陷 2中的计算数据，k”和则是由其获得的本征气 结构，并且理论上表观密度增加越大，单位体积内的 相贡献热导率；k:-是由k-获得的本征气相贡献 纤维就越多，这种回弹就越明显，缺陷结构越多，表 热导率，显然只有材料的所有孔隙结构能够等效为 现为大孔隙含量的增加.G6与之不同，因加压变形 单一尺度孔隙时才能适用. 表3纳米隔热材料的气相贡献热导率 Table 3 Gas-contributed thermal conductivity of nano-porous thermal insulating materials 样品 ke/(Wm·K） -e/(Wm1-K1) /(W.m-1.K-1) /(W.m-1.K-1) /(W.m-1.K-1) GI 0.00297 0.00363 0.03837 0.00442 G2 0.00148 0.00695 0.03719 0.00806 0.00465 0.00734 0.01334 0.02419 0.01039 G4 0.00447 0.00942 0.01538 0.01966 0.01394 G5 0.01540 0.00368 0.02116 0.01985 0.02919 C6 0.00137 0.00818 0.01103 0.02700 0.01004 CT 0.00067 0.00717 0.03808 0.00895 C8 0.00211 0.00518 0.03660 0.00706 C9 0.01004 0.01004 0.02444 0.02029 0.03072 G10 0.01063 0.01282 0.02614 0.02848 0.02447 表3中的-、kk分别与表2中孔隙直 此，材料孔隙结构内部、考虑气固耦合传热的本征气 径D。、Dg-Dm间的关系如图3所示.可以看到， 相贡献热导率可以表示为 本征气相贡献热导率随孔隙结构尺度的增大而升 2.0k (D≤200nm) 高，并且对20~3000nm之间孔隙结构尺度的变化 (2.0-1.5) (200 nnm <D <500 nnm) 相当敏感，而对小于20nm或大于3000nm的孔隙结 (1.5k. (D≥500nnm) 构尺度变化敏感性较差，与中=1时采用式(6)计算 (10) 获得的本征气相热导率变化趋势颇为相似，恰好与 式中，：是中=1时由式(6)计算获得的本征气相热 气固耦合模型所描述的两者之间的关系相吻合.鉴 导率 于这种相似性，将尺度小于200nm孔隙结构内的气 在表2中，出现单一等效孔隙结构尺度不在大、 相热导率数值增大到自身的2倍获得一条拟合曲线 小孔隙等效孔径之间现象的原因就在于比例因子取 (A),而将尺度大于500nm孔隙结构内的气相热导 值的差别，例如样品G3和G6.此外，由上述结果还 率数值增大到自身的1.5倍获得另一条曲线(B), 可以看出，材料孔隙结构尺度越小，比例因子数值越 如图3所示.可以发现，获得的两条曲线与气相贡 大，这与气固耦合传热的产生机理，12,2刘是一致的， 献热导率数值吻合较好，基本上能够反映气相贡献 因为材料孔隙结构尺度越小，细观结构中的狭小部 热导率的变化规律.由此可以想象，当孔隙结构尺 位就越多，发生气固耦合传热的机会和数量就越多. 度在200~500nm之间时，气相贡献热导率与气相 这一比例因子取值的明确，显然给材料结构设计和 热导率之间的比例因子应该在2.0~1.5之间.因 性能优化带来了诸多方便，无疑将产生重要的应用杨海龙等: 纳米隔热材料的孔隙结构特征与气体热传输特性 隙尺度虽相对较大，但 Ｒ 的数值不到 10，说明孔隙 结构相对较为均匀． 这一归类与前述所提及的孔 隙结构是否可以等效为单一尺度孔隙的分类结果 相同． G1 和 G2 中尺度过大的孔隙结构可能是材料 中的气泡，因为原材料配比中水的含量较高，加之催 化剂浓度较大，前驱体水解、缩聚较快，溶胶黏度增 长较快，凝胶时间较短，因搅拌带入到溶胶中的极 少量空气未及时排出而残存在材料内部． G7 和 G8 中存在更大尺度孔隙结构的原因在于，加压增密过 程中石英纤维趋向于面内分布，但压力去除后局部 纤维出现了回弹，使得材料局部产生了微裂纹缺陷 结构，并且理论上表观密度增加越大，单位体积内的 纤维就越多，这种回弹就越明显，缺陷结构越多，表 现为大孔隙含量的增加． G6 与之不同，因加压变形 量较小，未出现上述情况． 2. 2 孔隙结构内部的本征气相贡献热导率 表 2 所示的样品中，只有孔隙率相同且孔隙结 构可以等效为单一尺度孔隙时，才能够直观地反映 出孔隙结构尺度变化对气相贡献热导率的影响，例 如样品 G3、G4、G5 和 G10． 为进一步定量研究气相 贡献热导率与材料孔隙结构之间的关系，采用式 ( 6) 消除孔隙率的影响，由此获得了大气压环境下 不同尺度孔隙结构内部的本征气相贡献热导率，结 果如表 3 所示． 其中，kB g － c和 kS g － c分别为大气压环境 下大、小孔隙结构内部的气相贡献热导率，来源于图 2 中的计算数据，kIB g － c和 kIS g － c则是由其获得的本征气 相贡献热导率; kI g － c是由 kg － c 获得的本征气相贡献 热导率，显然只有材料的所有孔隙结构能够等效为 单一尺度孔隙时才能适用． 表 3 纳米隔热材料的气相贡献热导率 Table 3 Gas-contributed thermal conductivity of nano-porous thermal insulating materials 样品 kB g － c /( W·m － 1·K － 1 ) kS g － c /( W·m － 1·K － 1 ) kI g － c /( W·m － 1·K － 1 ) kIB g － c /( W·m － 1·K － 1 ) kIS g － c /( W·m － 1·K － 1 ) G1 0. 00297 0. 00363 — 0. 03837 0. 00442 G2 0. 00148 0. 00695 — 0. 03719 0. 00806 G3 0. 00465 0. 00734 0. 01334 0. 02419 0. 01039 G4 0. 00447 0. 00942 0. 01538 0. 01966 0. 01394 G5 0. 01540 0. 00368 0. 02116 0. 01985 0. 02919 G6 0. 00137 0. 00818 0. 01103 0. 02700 0. 01004 G7 0. 00067 0. 00717 — 0. 03808 0. 00895 G8 0. 00211 0. 00518 — 0. 03660 0. 00706 G9 0. 01004 0. 01004 0. 02444 0. 02029 0. 03072 G10 0. 01063 0. 01282 0. 02614 0. 02848 0. 02447 表 3 中的 kI g － c、kIB g － c、kIS g － c分别与表 2 中孔隙直 径 Dc、Dg － c、DBJH间的关系如图 3 所示． 可以看到， 本征气相贡献热导率随孔隙结构尺度的增大而升 高，并且对 20 ～ 3000 nm 之间孔隙结构尺度的变化 相当敏感，而对小于20 nm 或大于3000 nm 的孔隙结 构尺度变化敏感性较差，与  = 1 时采用式( 6) 计算 获得的本征气相热导率变化趋势颇为相似，恰好与 气固耦合模型所描述的两者之间的关系相吻合． 鉴 于这种相似性，将尺度小于 200 nm 孔隙结构内的气 相热导率数值增大到自身的 2 倍获得一条拟合曲线 ( A) ，而将尺度大于 500 nm 孔隙结构内的气相热导 率数值增大到自身的 1. 5 倍获得另一条曲线( B) ， 如图 3 所示． 可以发现，获得的两条曲线与气相贡 献热导率数值吻合较好，基本上能够反映气相贡献 热导率的变化规律． 由此可以想象，当孔隙结构尺 度在 200 ～ 500 nm 之间时，气相贡献热导率与气相 热导率之间的比例因子应该在 2. 0 ～ 1. 5 之间． 因 此，材料孔隙结构内部、考虑气固耦合传热的本征气 相贡献热导率可以表示为 kI g － c = 2. 0kI g ( D≤200 nm) ( 2. 0 ～ 1. 5) kI g ( 200 nnm ＜ D ＜ 500 nnm) 1. 5kI g ( D≥500 nnm { ) ( 10) 式中，kI g是  = 1 时由式( 6) 计算获得的本征气相热 导率． 在表 2 中，出现单一等效孔隙结构尺度不在大、 小孔隙等效孔径之间现象的原因就在于比例因子取 值的差别，例如样品 G3 和 G6． 此外，由上述结果还 可以看出，材料孔隙结构尺度越小，比例因子数值越 大，这与气固耦合传热的产生机理［9，12，29］是一致的， 因为材料孔隙结构尺度越小，细观结构中的狭小部 位就越多，发生气固耦合传热的机会和数量就越多． 这一比例因子取值的明确，显然给材料结构设计和 性能优化带来了诸多方便，无疑将产生重要的应用 · 397 ·