高性能纳米粉末基复合隔热材料组份设计、结构调控及作用机理基础研究

Nanopowder based thermal insulating composites are new highly efficient heat insulations, which can be prepared by dry molding method. Compared with aerogel materials, the composites have many unique advantages including simple preparation, high thermal endurance, excellent mechanical properties and low cost. However, the same problems of high thermal conductivity and poor stability at high temperatures are not yet resolved well. In response to these key issues, the microstructure, thermophysical properties and coupling effects will be investigated firstly in this project. Then the solutions will be proposed including fibers modified with nanopowder and the introduction of IR opacifiers and shrinkage inhibitors. Finally, the complex multi-material system can achieve optimal design and precise structure regulation. Meanwhile, CFD and MS will be employed to simulate and calculate three-phase thermal conductivity and molecules (atoms) movement parameters respectively, and thus based on the data, micro-nano scale heat transfer and molecular dynamics models are built, which can comprehensively illustrated the mechanisms of heat transfer, IR opacification and shrinkage inhibition at high temperatures. This work can provide theoretical support for system architecture and industrialization of nanopowder based thermal insulating composites. And the products with excellent performance will meet the urgent needs in aerospace and high-temperature industrial areas. The project has high academic values and originality.

纳米粉末基复合隔热材料是一种采用干法成型工艺制备的新型高效隔热材料，与气凝胶隔热材料相比具有制备工艺简单、耐温值高、强度高、成本低等优点，但同时也存在高温环境下导热系数偏高和热稳定性差的共性问题。针对上述关键问题，本项目拟从研究复合材料的细观结构、热物性能和组元耦合效应入手，提出对增强纤维进行纳米包覆改性、复合红外遮光剂和高温收缩抑制剂的解决方案，实现多元多尺度复杂隔热材料体系的组份优化设计和结构精确调控。同时，结合CFD流体计算模拟软件和MS分子动力学模拟软件，模拟计算三种传热方式的传热分量和组份分子（原子）运动参量，建立微纳尺度传热模型和分子动力学模型，探清多元多尺度材料体系传热机制、红外遮光机理和高温收缩抑制机理，为纳米粉末基复合隔热材料体系的整体架构和规模化工业生产提供基础理论支撑，满足航空航天和高温工业等领域对高效隔热材料的迫切需求。项目具有较高的学术价值和原创性。

传统的纳米孔二氧化硅隔热材料存在制备工艺复杂、强度低、高温绝热性能和热稳定差等问题。本项目以气相法二氧化硅为基体材料，复合增强纤维，采用干法成型工艺制备了纳米二氧化硅粉末基复合隔热材料，常温导热系数仅为0.025W/(m·K)，但高温隔热性能有所下降，500℃时导热系数升至0.119W/(m·K)。添加碳化硅作为红外遮光剂可显著提高纳米二氧化硅粉末基复合隔热材料高温绝热性能，在2.5～7μm波长范围内，有效消光系数可由添加前的12.6m2/kg提高至55m2/kg，500℃时导热系数仅为0.041W/(m·K)。红外遮光剂的添加量和粒径也会对隔热性能产生影响。选择适宜粒径的遮光剂与材料的使用温度相匹配是取得良好绝热性能的关键。根据热辐射基本规律和光的散射理论，深入分析了遮光剂红外遮光机理。纳米二氧化硅粉末基复合隔热材料最高服役温度为800℃，添加气相法氧化铝可有效改善其高温热稳定性，将最高服役温度提高至1000℃左右。当添加量为5wt%时，1000℃时体积收缩率由18.49%下降为3.47%，添加适量气相法二氧化钛也会在一定程度上提高高温热稳定性，氮化硼和碳化硼抑制高温收缩效果较差。采用分子动力学模拟计算软件，从理论上阐释了纳米二氧化硅粉末基复合隔热材料高温收缩机理以及气相法氧化铝抑制高温收缩机理。分别计算了纳米二氧化硅粉末基复合隔热材料气固耦合热导率和辐射热导率，构建了微纳尺度传热数学模型，并通过试验对模型进行验证，该模型可为纳米二氧化硅粉末基复合隔热材料的组份设计和结构优化提供理论指导。项目资助发表论文5篇，其中SCI收录3篇（包括2区2篇），EI收录1篇，中文核心1篇，另有1篇待发。申请发明专利1项。培养硕士研究生3名，其中2名毕业，1名在读。项目研究经费48万元，支出36.1118万元，各项支出与预算相符，剩余经费11.8882万元，计划用于本项目研究后续支出。