SiO2气凝胶隔热性能的影响因素研究

周星光，柳世灵，王通，杨钦，梁迪，陈浩

（上海航天精密机械研究所，上海 201600）

航空航天的快速发展驱使人们对高温隔热领域更加关注，对热防护材料的要求更加严苛。航天器在超声速飞行时，壁面承受较高的气动热流或燃气热流，因此热防护结构及材料的设计对其内部的结构及设备安全至关重要。

多纳米孔隙气凝胶因其具有密度低、隔热性能好的特点，在航天器的隔热领域具有广阔的应用前景。目前的研究及应用主要以SiO、AlO系的气凝胶材料为主，其中SiO气凝胶及其复合材料由于更低的密度和更高效的隔热性能更受关注。然而由于SiO气凝胶耐受温度不高，使其在作为隔热材料方面受到限制。现阶段大多通过热防护结构的设计，将气凝胶隔热材料应用于间隔层内来提升其耐热性能，但是又会降低结构在强度、刚度及振动方面的性能。研究表明，在气凝胶中添加纤维、颗粒及遮光剂等可显著增强气凝胶的热稳定性和红外辐射能力。Wei等制备了一种碳纳米纤维/SiO复合气凝胶，抑制了气凝胶内部的辐射传热，并且在500 ℃时具有超低的热导率和良好的热稳定性。张君君等通过添加YCl·6HO实现了SiO气凝胶在900 ℃下经过2 h仍然具有良好的热稳定性。通过在气凝胶上下层分别铺放MLI和APA-2，使用Nextel 440 纤维布包装后，其耐热温度可达1 600 ℃。

不同孔隙率的SiO气凝胶的热导率不同，热稳定性也不同。周红梅分别建立了SiO、AlO及ZrO气凝胶的微尺度模型， 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了孔隙率和温度对气凝胶热导率的影响，并研究了3种材料复合时气凝胶的隔热性能，得到了各组分的最佳配比。习常清等探讨了开孔泡沫铝的孔隙率和孔径大小对热传导率的影响。张涛等将泡沫金属结构进行了简化，并将传热单元分为9个导热层，以热阻分析推导出了整体有效导热系数与泡沫金属孔隙率的计算式。热防护的最终目的是要保障飞行器的正常飞行和内部设备温度不能过高，传统陶瓷纤维类隔热材料热导率偏高，难以满足新一代高超飞行器对耐高温及高效隔热的一体化要求。对于中短程飞行器来说，外壁面会承受短时高热流，在飞行结束时也没有达到热稳定状态，理论上可以大大地减弱结构的热防护设计，比如更薄的气凝胶厚度、更高的材料孔隙率以及耐热温度更低的材料。因此，研究气凝胶的厚度、孔隙率等对热防护结构隔热特性的影响规律具有重要的工程意义。

为研究不同热流条件对气凝胶隔热效率的要求，首先通过理论分析了孔隙率对气凝胶有效热导率的影响规律。其次，通过数值仿真研究了气凝胶孔隙率和厚度对隔热效率、气凝胶表面温度的影响规律。最后，研究了热流大小和作用时间对气凝胶厚度和表面温度的影响，为热防护结构的设计提供数据支撑。

1 气凝胶隔热结构的计算模型

1.1 气凝胶热防护结构及热仿真模型

以4340不锈钢代替飞行器壁板结构，在壁板外壁涂覆SiO气凝胶，如图1所示。当外部热流作用在气凝胶外表面时，热量从气凝胶外表面传递至壁板内壁。经历一定时间后，要求壁板内壁面的安全温度不高于140 ℃，同时对气凝胶外表面温度还有一定要求。在实际工程中，承受高温的气凝胶需要通过耐高温无机胶粘贴在基材表面，在热流作用的外表面冷刷环氧树脂，从而提供强度支持及提升耐温性能。由于环氧树脂等对热防护结构的综合隔热性能影响较小，本文在计算过程中不考虑环氧树脂以及无机胶等的影响。

图1 气凝胶热防护结构仿真模型Fig.1 Simulation model of aerogel gel thermal protection structure

本文采用Comsol建立图1对应的二维平面有限元模型，为计算不同热流条件下满足温度要求的气凝胶孔隙率和厚度，考虑不同参数条件对隔热效率的影响，参数取值范围见表1。本文所用到的材料性能均参考Comsol材料库。热边界条件为：壁板在长度和深度方向尺度相对厚度方向的尺寸较大，所以结构左右两侧无热交换；结构内壁与空气之间的热交换系数为5 W/(m·K)；气凝胶表面受热后，要考虑向周围环境的热辐射，其发射率取0.8；环境初始温度为20 ℃。对结构划分四边形网格，经验证，在气凝胶与基板局部加密后的网格与结果无关，网格密度满足收敛要求。

表1 气凝胶热防护结构要求及参数Tab.1 Parameters and structural requirements of SiO2 aerogel

1.2 气凝胶孔隙率与传热系数的关系

气凝胶纳米多孔材料的热量传递有气相导热、固相导热和热辐射3种方式。在高温下，气相对流传热相对较小，热辐射与固相传热是气凝胶热传递的主要方式。气凝胶结构的有效热导率可以通过式（1）计算。

式中：为固相热导率；为辐射热导率。气凝胶的热辐射主要与材料的密度、温度和比消光系数有关，气凝胶满足光学厚近似条件。采用Rossland扩散近似方程进行辐射热导的计算，见式（2）。

式中：为材料的比消光系数，越大，红外辐射越小；为Boltzmann常数；为材料密度，取值为5.67×10W/(m·K)；为周围介质的折光率，低密度材料取值为1；为材料的平均热力学温度。

孔隙结构的固相传热与材料的微观结构及基材热导率有关，其传热机理较为复杂。忽略气凝胶的微观孔隙结构，对固相传热进行简化，见式（3）。

式中：为基材的热导率；为气凝胶的孔隙率。根据式（1）可以得到不同孔隙率SiO气凝胶的有效热导率和温度之间的关系，分别对比20 ℃和1 000 ℃时的有效热导率，如图2所示。20 ℃时，有效热导率随孔隙率的增大而降低。1 000 ℃条件下，当孔隙率不超过96%时，有效热导率随孔隙率的增大而降低；当孔隙率超过96%时，有效热导率随着孔隙率的增大而增大。这是由于孔隙率过大时，辐射热传导占据主导地位，并且热辐射随温度的升高急剧增大而引起的。

图2 不同温度下气凝胶有效热导率与孔隙率的关系Fig.2 Relation between effective thermal conductivity and porosity under different temperature

2 结果与讨论

2.1 孔隙率的影响

当气凝胶孔隙率为90%，不锈钢壁板表面涂覆不同厚度的气凝胶在100 kW/m热流作用30 s后，壁板内壁表面温度随气凝胶厚度的变化如图3所示。可以看出，随着气凝胶厚度的增加，壁板内壁的温度降低。将厚度精确到0.01 mm，得到气凝胶厚度为1.49 mm时，壁板内壁表面温度满足控制温度的要求，为139.7 ℃，此时气凝胶外表面的温度为1 011.9 ℃。由于不锈钢的热导率相对较高，温度梯度在壁板厚度方向很小，30 s时温度在厚度方向的变化如图4所示。

图3 90%孔隙率气凝胶在100 kW/m2热流下不同气凝胶厚度对应的内壁和气凝胶表面温度Fig.3 Temperature of the inside wall and surface of aerogel corresponding to different thickness, when the porosity is 90% and the heat flux is 100 kW/m2

图4 温度沿厚度方向的变化Fig.4 Temperature variation in the direction of thickness

热流条件不变，仍为100 kW/m热流作用30 s，分析不同气凝胶孔隙率下满足壁板内壁表面控制温度要求的气凝胶最小厚度，结果如图5所示。从图5a可以看出，给定热流时，当气凝胶的孔隙率增大，满足控制温度需要的气凝胶最小厚度逐渐减小。当孔隙率超过96%时，气凝胶的最小厚度反而增大。这是由于孔隙率过大时，气凝胶的有效热导率增大而引起的。不同孔隙率下，满足内壁面温度要求的气凝胶最小厚度对应的气凝胶表面的温度如图5b所示。孔隙率为85%时，气凝胶表面的温度为998.2 ℃；孔隙率为96%时，气凝胶表面的温度为1 023.2 ℃。可以看出，考虑不同孔隙率的气凝胶所需要的最小厚度不同，孔隙率对气凝胶表面的最高温度影响不大。因此，在实际工程中，为保证气凝胶孔隙结构在高温下不发生塌陷，如果热流不变，仅调整气凝胶的孔隙率是不可行的，必须改进气凝胶在高温下的热稳定性。

图5 满足控制温度的气凝胶的最小厚度和表面温度Fig.5 The minimum thickness (a) and surface temperature (b) of aerogel that meet the required temperature

2.2 热流大小和持续时间的影响

由于发射率对材料的组分不敏感，当给定壁板内壁表面控制温度时，影响气凝胶表面温度的主要是热流的大小及持续时间。根据上述分析，在给定的气流下，气凝胶孔隙率为96%时所需的气凝胶厚度最小。为研究热流的大小和持续时间对隔热结构的要求，取气凝胶孔隙率为96%，内壁控制温度仍为140 ℃。

首先，研究热流大小的影响，给定持续时间为30 s。当热流在50~350 kW/m变化时，需要的气凝胶最小厚度逐渐增加，如图6a所示。从图6b可以看出，气凝胶外表面的最高温度随热流的增大不断升高。当热流为100 kW/m时，气凝胶外表面的温度超过了1 000 ℃；当热流为250 kW/m时，气凝胶外表面的温度超过了1 500 ℃。

图6 气凝胶最小厚度和表面温度随热流大小的变化Fig.6 Curvature of the minimum thickness (a) and surface temperature (b) of aerogel that change with the magnitude of heat flux

其次，研究热流持续时间的影响，给定热流大小100 kW/m，当持续时间在20~120 s变化时，气凝胶最小厚度随持续时间呈近似线性增大，如图7a所示。持续时间对气凝胶外表面的影响如图7b所示。可以看出，30 s后气凝胶表面的温度超过了1 000 ℃。随后增长逐渐缓慢，到120 s时，温度也不超过1 250 ℃。

图7 气凝胶最小厚度和表面温度随热流作用时间的变化Fig.7 Curvature of the minimum thickness (a) and surface temperature (b) of aerogel that change with the time of heat flux

从热流大小和时间的影响来看，气凝胶的耐受温度极大地限制了其应用范围。100 kW/m热流作用30 s时，气凝胶表面的温度就已经超过了1 000 ℃。如果需要气凝胶能够承受更高的热流和更长的作用时间，仅仅通过调整气凝胶的孔隙率和厚度是不可行的。此时，需要调整气凝胶的组分，或者在气凝胶的外表面涂覆其他材料（如冷刷环氧树脂），在提升气凝胶热防护结构耐热性能的同时，还可以为热防护结构提供强度支持。然而，调整气凝胶组分或在外表面涂覆其他材料后，热防护结构整体隔热性能又会发生改变，需要根据本文所述 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ，对重组后的热防护结构隔热特性进行研究。

3 结论

本文在对气凝胶孔隙结构有效热导率进行理论计算的基础上，建立了热防护结构的有限元模型，分析了SiO气凝胶孔隙率及厚度对其隔热效率的影响，并讨论了不同热流和作用时间下气凝胶表面温度的变化规律，得出如下结论：

1）常温时气凝胶有效热导率随孔隙率的增大而减小，但温度为1 000 ℃时，气凝胶的有效热导率随孔隙率的升高而先下降、后升高，并且在孔隙率为96%时达到最低。

2）当给定热流和作用时间时，为满足壁板内壁控制温度的要求，气凝胶的涂覆厚度随孔隙率的增大而减小。孔隙率对气凝胶外表面的温度影响不大，孔隙率超过96%时，隔热性能变差。

3）热流的大小和作用时间都会对气凝胶表面温度产生影响。如果结构承受长时间大热流，需要对气凝胶材料的组分进行改进，以使其结构能够继续隔热。

-全文完-