基于传热机理的氧化铝纳米孔材料隔热性能优化

Nanoporous alumina thermal insulator with good heat-resistance and low thermal conductivity is potential for thermal protection system of aerospace vehicles, energy-saving and novel energy devices. In order to produce nanoporous alumina thermal insulator with the best heat insulation performance, the composition and microstructure of the material have to be optimized. It is a reasionable way to improve the thermal insulation property by analyzing the thermal transfer process in the nanoporous structure of the alumina insulator. Therefore, the aim of the research is to study the heat transfer mechanism of the nanoporous alumina thermal insulator and calculate the gsaeous thermal conductivity by developing a thermal transfer model based on the solid framework and porous structure of the material. Another goal of the research is to develop a theoretical method to descibe the radiation property of the opacifiers used in the insulator and understand the relationship between the characteristics of the opacifier, such as morphology, size and distribution, and the rediative properties. The effective thermal conductivity of the nanoporous alumina thermal insulator would be calculated and the composition and micrstructure of the material with the lowest thermal conductivity would be obtained. It is believed the results will give valuable instructions to the design and synthesis of the nanoporous alumina thermal insulator.

氧化铝纳米孔隔热材料耐温高、热导率低，在航天飞行器热防护系统、高温节能、新型能源等领域具有重要的应用前景。从材料传热机理出发，设计具有最佳隔热性能的氧化铝纳米孔隔热材料，确定材料组分与微观结构参数，是建立材料热设计理论，指导材料研制、提升材料性能的有效途径。本项目主要研究氧化铝纳米孔隔热材料的传热机理，分析气固耦合传热行为，构建基于材料真实结构特征的传热计算模型，发展材料气相热导率计算方法；建立氧化铝纳米孔隔热材料遮光剂辐射特性的理论计算方法，揭示遮光剂形状、尺寸、分布等对材料隔热性能的影响规律。实现氧化铝纳米孔隔热材料表观热导率的理论计算，获得具有最低热导率的材料组分、结构参数，指导材料设计研制。

氧化铝纳米孔隔热材料具有密度小、热导率低、耐温高的特点，在航天器防隔热领域具有重要的潜在应用价值。从氧化铝纳米孔隔热材料传热机理出发，研究其组分和微观结构对隔热性能的影响，指导材料组分和结构的设计、优化，对实现此类材料微观结构控制和性能的进一步提升具有重要的现实意义。本项目的主要成果如下：（1）从传热机理角度，系统阐明了纳米孔隔热材料中基体、纤维和遮光剂三种组分对此类材料结构和性能的影响规律，进而结合制备工艺，揭示了不同组分对材料实现工艺的影响，指导纳米孔隔热材料的设计、选材与实现。（2）发明了含遮光剂纤维增强氧化铝气凝胶纳米孔隔热材料制备方法，所制备的隔热材料在1200℃加热30min的试验考核条件下，20mm厚度的材料背面温度仅为645℃，相比传统材料下降了150℃，隔热性能显著提高。（3）基于对纳米孔隔热材料中“基体、纤维和遮光剂”的认识，发明了模压成型氧化铝纳米孔隔热材料的制备方法，所制备的隔热材料室温热导率0.03W/m·K，1200℃热导率0.095W/m·K，在1200℃加热30min的试验考核条件下，背面温度仅为468℃，是目前报道的高温隔热性能最好的纳米隔热材料。（4）发展了一种计算纳米孔隔热材料表观热导率的方法，实现材料不同温度和压力下的热导率计算，热导率计算值与测试值相符较好，能够为材料在高温变压环境中应用提供可靠的热导率参数。（5）建立了氧化铝纳米孔隔热材料中纤维和遮光剂辐射性能的计算方法，并针对“氧化铝基体—氧化铝纤维—遮光剂”纳米多孔隔热材料建立了整体热导率的理论计算模型与方法，获得了材料的理论热导率，指导材料设计。发表论文11篇，其中SCI收录8篇，申请发明专利5项，2项已授权；联合培养博士生2人，硕士生1人；项目负责人在中国工程热物理学会传热传质分会和中国国际复合材料大会纳米复合材料分会场做报告各1次。