纳米隔热材料热辐射特性的理论计算

纳米隔热材料热辐射特性的理论计算 李东辉 夏新林 张顺德 (哈尔滨工业大学航空航天热物理研究所，哈尔滨 150001) 文摘 高温下纳米隔热材料内热辐射的影响将显著增强，其热辐射特性对热辐射传热有很大影响。为 了认识高温纳米隔热材料的热辐射特性，采用Mie理论建立了掺杂纤维增韧剂和遮光剂的纳米隔热材料热辐 射特性理论计算方法，编写了纳米隔热材料热辐射特性计算程序，对某纳米隔热材料的热辐射特性进行了理论 研究，得到了光谱衰减系数、光谱散射反照率以及全光谱平均辐射特性参数及散射相 函数 excel方差函数excelsd函数已知函数     2 f x m x mx m      2 1 4 2拉格朗日函数pdf函数公式下载 。理论模拟结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明：在3～9．5岬波长范围内，纳米隔热材料对热辐射具有强烈的衰减作用，对3～7ttm的热辐射呈现强烈的 散射特征，对7—9．5斗m的热辐射，随波长增大散射特征逐渐减弱，对9．5¨m的热辐射呈现较强的吸收特征。 在300—1300K，该纳米隔热材料全光谱平均衰减系数>5x104m～，平均散射反照率>O．96，具有较强的前向散 射特征，这些特征来源于遮光剂粒子，增韧剂影响很小。 关键词纳米隔热材料，增韧剂，遮光剂，热辐射特性，Mie理论 TheoreticalComputationonThermalRadiativePropertiesofNanoinsulationMaterials LiDonghuiXiaXinlinZhangShunde (AeronauticsandAerospaceThermophysicsResearchInstitute，HarbinInstituteofTechnology，Harbin150001) AbstractThermalradiativepropertieshavesignificantinfluencesontheradiativeheattransferprocesswhichbe- comesobviousinnanoinsulationmaterialsathightemperature．Inordertobetterunderstandthematerialsradiative properties，atheoreticalmethodbasedonMietheoriesispresentedfornanoinsulationmaterialscontainingbothrein- forcementfibersandopacifiers．Correspondingcomputercodesaredevelopedandthethermalradiativepropertiesare studiedtheoreticallyforaspecificnanoinsulationmaterial．Theparametersdescribingtheradiativepropertiesa陀ob· tainedwhichincludethespectralextinctioncoefficientandscatteringalbedo，theRosselandaveragedextinctioncoeffi— cientandscatteringalbedo，theRosselandaveragedscatteringphasefunctionetc．Resultsfromtheoreticalsimulationin- dicatethatforthewavelengthstudiedbetween3Ixmand9．5ton，thematerialhasstrengthextinctiontothermalradia- tion．Thematerialexhibitshighlyscatteringforthermalradiationwiththewavelengthbetween3¨mand7斗m．For thermalradiationwiththewavelengthbetween7tunand9．5Ixm，thescatteringphenomenonbecomesweakwiththein— creaseofwavelength．Forthermalradiationwiththewavelengthof9．5tun，thematerialexhibitsobviouslyabsorbing． Underthetemperaturebetween300Kand1300K，thewssclandaveragedextinctioncoefficientofthenanoinsulation materialisgreaterthan50000m～，anditsaveragedscatteringalbedoisgreaterthan0．96．Thehighlyforwardscattering characteristicofthematerialresultsfromtheopacifierandthereinforcementfibersinthematerialhavelessinfluences． KeywordsNanoinsulationmaterials，Reinforcement，Opacifiers，Thermalradiativeproperties，Mietheory 0引言 纳米隔热材料的纳米尺度固体颗粒形成开放性 多孔和连续空间网络结构，孔隙通道直径20～50 nm。在常温下纯气凝胶纳米隔热材料具有优良的隔 热性能，但是随使用温度提高，热辐射传热迅速增强， 隔热性能显著下降。此外，纯气凝胶纳米隔热材料脆 性大，需要强化。实际应用的纳米隔热材料通常加入 遮光剂、纤维增韧剂以削弱热辐射传输并提高强度。 纳米隔热材料热辐射特性对辐射传热影响很大。 常用的SiO：纳米隔热材料中纳米颗粒对热辐射几乎 表现为纯吸收⋯，遮光剂及增韧剂等颗粒通常具有 微米尺度，对热辐射形成强烈的散射。在20世纪 收稿日期：201l一09—30 基金项目：国家自然科学基金(90816022，51176038) 作者简介：李东辉，1971年出生，博士，研究方向为高温热防护材料辐射特性及耦合传热等。E-mail：ldh0086451@yahoo．com．cn ·-——34·-—— 宇航材料 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 http：／／www．yhclgy．corn2012年第2期 万方数据 80、90年代，一些研究者对纳米隔热材料热辐射特性 开展了实验研究悼。J，测量了反射率与透射率，并且 对SiO，气凝胶纳米隔热材料的热辐射特性开展了理 论研究⋯。本文针对含有纤维增韧剂及遮光剂颗粒 的纳米隔热材料采用瑞利散射理论、经典圆柱体Mie 散射理论、吸收性介质内球体颗粒的Mie散射理论计 算纳米隔热材料中纳米尺度固体颗粒、纤维增韧剂、 遮光剂颗粒的热辐射特性，结合独立散射理论建立纳 米隔热材料的热辐射特性计算方法，采用Fortran语 言编写了相应的计算程序，针对某纳米隔热材料，对 其热辐射特性开展了理论研究。 1 纳米隔热材料热辐射特性计算方法 纳米隔热材料辐射特陛决定于纳米尺度固体颗粒的 辐射特性和微米尺度遮光粒子和增韧粒子的辐射特陛。 纳米尺度固体粒子对热辐射的衰减以吸收为主， 根据独立散射理论，含有遮光剂和增韧剂的纳米隔热 材料的光谱衰减系数为 k。^=k哦，叩+k。^．辟+k。x．叩+k。x。陀+kn，m(1) 式中，k札叩、蠡札。和k。、柙、||}。枷分别为遮光剂或增韧剂 粒子的光谱散射系数和光谱吸收系数，k。x为纳米尺,m 度固体颗粒的光谱吸收系数。 纳米隔热材料的光谱散射系数决定于遮光剂和 增韧剂粒子，因此其光谱散射系数为 k。x=k。、．。+k。^，。 (2) 纳米隔热材料的光谱散射反照率定义为光谱散 射系数与光谱衰减系数之比，即 tok=kkex (3) 纳米隔热材料的光谱散射相函数决定于微米尺 度的遮光剂和增韧剂，其光谱散射相函数根据遮光剂 和增韧剂的散射相函数按照下式计算 P．：垒盥■业_二竺生业 f4、 “ k8^．op+k。^，。 、7 式中，P¨。、P、．。分别为遮光剂粒子和纤维增韧剂粒 子的光谱散射相函数。 1．1 纳米尺度固体颗粒热辐射特性计算方法 纳米隔热材料中纳米尺度固体颗粒直径远远小 于热辐射波长，可采用瑞利散射理论计算其光谱热辐 射特性。单个纳米球体颗粒的光谱吸收因子、光谱衰 减因子、光谱散射因子分别为[51 Qn，。=Q。。，。一Q吐。。 Qek,m=X'm Q‰。=r84。【(n2、，。一％+2)2+4凡2枷‰】 (5) (6) {[(n；．。一Jj}；，。一1)(n：，。一I|}：。。+2)+ 4n2．。砭。32+36n2、．。砭。} (7) 式中，入是入射光波长，r／,k．m和kh,m为纳米颗粒的光谱 折射率和吸收指数，菇。为纳米颗粒的尺寸参数，‰= 、11"O一,m，d。为纳米颗粒直径。 研究表明，纳米尺度颗粒对热辐射表现为纯吸 收，散射可以不考虑。在瑞利散射理论下，光谱吸收 系数与颗粒直径无关，根据独立散射理论，纳米粒子 系的光谱吸收系数为 k．m-等孛 (8)k．。=∑笋 (8) ‘Um 式中^．。为纳米颗粒的体积分数。 1．2纤维增韧剂的热辐射特性计算方法 增韧剂纤维直径为几微米，长几毫米，长径比通 常大于100，可以将其看作无限长圆柱体。根据无限 长圆柱体Mie电磁散射理论№J，单根无限长圆柱体的 光谱衰减因子Q。枷、光谱散射因子Q。枷分别为 Q。枷=÷Re{bi+口0+2∑．(67+口?)}(9) Q“。=^l67I 2+I80I2+2乏．(I6：I2+ ^m ¨J I口?l2+2l口：I2)] (10) 式中，a；re是纤维的尺寸参数，口：、67、口?、67为Mie系 数，可由Bessel函数、第一类Hankel函数构成的复杂 函数加以表示¨J。 纳米隔热材料中添加的纤维增韧剂的体积分数 较小，纤维间的平均距离比纤维直径和波长大很多， 满足独立散射条件。根据独立散射理论，增韧剂纤维 的光谱衰减系数、光谱散射系数分别为【_纠 k∥肌砰‰xl(洲[r(轧训Ⅲ“砧批dr k矿肌T／2；rld吧一刚⋯“砧]眦川蟛捌r 式中，Ⅳ(r)为纤维粒径分布函数、，(玉，∞，)为纤维方 向分布函数，d为纤维直径，f(f≤90。)为入射方向与 纤维轴向夹角。 根据衰减系数与散射系数，得出纤维增韧剂的光 谱吸收系数为： k“．。=k。枷一k叱。 (13) 宇航材料工艺http：／／www．yhclgy．corn2012年第2期 (11) (12) 由于增韧剂纤维体积分数很低，对纳米隔热材料散 射相函数影响较小，为方便起见，采用具有前向散射特 征的Legendre多项式近似纤维增韧剂的散射相函数。 1．3遮光剂粒子的热辐射特性计算方法 具有微米尺度的遮光剂粒子处于接近纯吸收的 纳米尺度气凝胶基体中，遮光剂颗粒的辐射特性计算 一35— 万方数据 采用吸收性介质内粒子散射Mie理论【8]。由于遮光 剂粒子分布的随机性，假设遮光剂粒子为球形粒子。 根据独立散射理论，多弥散遮光剂粒子系的光谱 散射系数、光谱吸收系数分别为 ·∞一 k。¨=研f盯。、(r)F(r)dr(14) oO ，∞ kn，op=nTJ盯“(r)F(r)dr(15) 式中，n，为遮光剂粒子数密度，F(r)为遮光剂粒子的 粒径分布函数，盯¨盯。、分别为吸收性介质内球形粒 子的表观光谱散射截面和光谱吸收截面。 遮光剂的平均散射相函数为 ·∞ 一 I Px(@，r)盯。、(r)F(r)dr P枷P(9)=竺—7_————一(16) I盯。x(r)F(r)dr ，0 式中，P、(9，r)为半径为r的遮光剂粒子的散射相函 数，@为散射角。 限于篇幅所限，关于吸收性介质内球形粒子的表 观光谱散射截面、吸收截面及散射相函数的详细计算 方法请参考文献[9]。 2计算结果与 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 ． 根据前述纳米隔热材料热辐射特性计算方法，编 写了相应的计算程序，以某纳米隔热材料为例对其热 辐射特性进行了理论计算。 图1、图2分别给出了纤维增韧剂和纳米颗粒及 遮光剂粒子的光学常数。 wavelength／m 图1纤维增韧剂和纳米颗粒的光学常数 Fig．1Opticalconstantsofreinforcementfibersandnanoparticles A／斗m 图2遮光剂的光学常数 Fig．2Opticalconstantsofopacifierandnanoparticles 一36一 从图3可以看到，遮光剂颗粒的光谱吸收系数较 为平坦，数值大约为l000m～，纤维增韧剂的光谱吸收 系数小于遮光剂颗粒的，特别是在波长较小情况下，大 约有3个数量级的差别，纳米颗粒对波长较长的热辐 射具有很大的吸收系数，在3—5pln的波长范围里，遮 光剂粒子的吸收是主要的，在5—9．5岬的波长范围 里，纳米颗粒的吸收是主要，增韧剂纤维粒子对热辐射 的吸收很小，在大部分波长范围内可忽略。 ^／Is,m 图3纳米隔热材料的光谱吸收系数 Fig．3Spectralabsorbingcoefficientofnanoinsulationmaterial 从图4可以看到，隔热材料的光谱散射系数都很 高，在3—8pjn的波长范围内，光谱散射系数>40000 m～，对热辐射的散射主要源于遮光剂粒子，这是因为 遮光剂粒子的体积分数较高，由于纤维的体积分数较 小，纤维的散射作用很弱。 ^／¨lnl 图4纳米隔热材料的光谱散射系数 Fig．4Spectralscatteringcoefficientofnanoinsulationmaterial 从图5可以看到，隔热材料的光谱衰减系数在所 研究的波长范围里均大于5x104m～。 ^／itm 图5纳米隔热材料的光谱衰减系数 Fig．5Spectralextinctioncoefficientofnanoinsulationmaterial 宇航材料工艺http：／／www．yhclgy．com2012年第2期 万方数据 ^／斗m 图6纳米隔热材料的光谱散射反照率 Fig．6Spectralscattering albedoofnanoinsulationmaterial 从图6可以看到，隔热材料在3—7斗m波长范 围，具有很高的散射反照率，接近1．0，即该材料对热 辐射具有很强的散射，对热辐射的衰减以散射为主； 在7。9．5斗m波长范围，光谱散射反照率随波长增 大而减小，纳米隔热材料散射作用减弱，而对热辐射 的吸收作用逐渐增强。 图7给出了纳米隔热材料的全光谱平均的Ros- seland平均衰减系数、平均散射系数、平均吸收系数， 可以看到，在300—1300K，纳米隔热材料的平均衰 减系数非常大，对热辐射的衰减以散射为主。 图7纳米隔热材料的平均辐射系数 Fig．7Rossolandaveragedcoefficientsofnanoinsulationmaterial 从图8可以看到，隔热材料具有非常强的散射特 征，随着温度升高，散射反照率增大，在300—1300 K，散射反照率均大于0．96。 a 图8纳米隔热材料的平均散射反照率 Fig．8Averagedscatteringalbedoofnanoinsulation material 图9给出了纳米隔热材料的平均散射相函数，可 以看出材料具有很强的前向散射特征。 宇航材料工艺http：／／www．yhclgy．tom2012年第2期 簇蒸 躞秽"ItJn、、工～ 图9纳米隔热材料的平均散射相函数 Fig．9Averagedscatteringphasefunctionofnanoinsulationmaterial 3结论 (1)纳米隔热材料对热辐射具有强烈的衰减作 用，对3～9．5肛m的热辐射具有很大的衰减系数，大 于4x104m～。 (2)对3。7斗m的热辐射，该纳米隔热材料呈现 强烈的散射特征，对7～9．5斗m的热辐射，随波长增 大，散射特征逐渐减弱，吸收特征逐渐增强，对9．5 斗m的热辐射呈现较强的吸收特征。 (3)在300。l300K，该纳米隔热材料全光谱平 均衰减系数>5x104m～，平均散射反照率>0．96，具有 较强的前向散射特征，这些特征来源于遮光剂粒子， 增韧剂影响很小。 参考文献 [i]ChuHs，StrettonAJ，TienCL．Radiativeheattransfer inultra．finepowderinsulations[J]．InternationalJournalofHeat andMassTransfer。1988，31(8)：1627—1634 [2]CapsR，FrickeJ．Infraredradiativeheattransferin highlvtransparentsilicaaerogel[J]．SolarEnergy，1986，36(4)： 361—364 [3]HuntAJ，JantzenCA，CanWQ．Aemgel．AHishPer- formanceInsulatingMaterialat0．1bar[S]．ASTMSpecialTech· nicalPublication，1991，1116：455—463．Conference：Insulation Materials：TestingandApplications，1991 [4]ZengSQ，GreifR，StevensP，eta1．Effectiveoptical constantsnandkandextinctioncoefficientofsilicaaerogel[J]． JournalofMaterialsResearch．1996，11(3)：687-693 f51谈和平，夏新林，刘林华，等．红外辐射特性与传输的 数值计算[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2006 ． [6]BohrenCF，HuffmanDR．AbsorptionandscaReringof lightbysmallparticles[M]．NewYork：Wiley，1983 [7]CunningtonGR，LeeSC，WhiteSM．Radiativeproper- 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