[发明专利]一种等效热导率快速预测方法

权利要求书

1.一种复杂使用环境下气凝胶类纳米多孔复合隔热材料等效热导率快速预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)对气凝胶类纳米多孔复合隔热材料，建立可扩充的计算对象基本参数数据库，数据库包括气凝胶基体材料，不同环境气氛下的气相组分，不同遮光剂颗粒材料以及不同增强纤维材料；

2)将气凝胶类纳米多孔复合隔热材料按照材料内部结构特征尺度的不同，分为纳米尺度结构及微米尺度结构的多尺度典型结构；

3)对纳米尺度结构，分别采用尺寸修正的气相、固相、辐射传热模型，并在考虑界面效应及耦合效应基础上，计算得到纳米尺度典型结构的干燥状态的等效热导率；同时，针对复杂使用环境中环境湿度导致的材料吸潮特点，从表面物理理论出发分析孔隙内水膜凝结的尺度特征、形貌特点，在干燥模型基础上建立考虑含湿的分形交叉球杆-非均匀水膜等效结构模型，用于计算含湿状态下气凝胶类材料的等效热导率；

其中，采用气相模型对气相热导率进行尺寸效应修正，采用Chen模型对固相热导率进行修正，界面效应的影响则在颗粒与颗粒的接触界面处的接触热阻中进行反映，同时基于分形理论所提出的分形交叉球杆模型，对纳米尺度的气凝胶基体材料的等效导热热导率进行了计算，考虑含湿水分的影响后，交叉分形球杆结构一级结构和二级结构的等效热导率计算式为

式中，为一级分形结构热导率，为二级结构的等效热导率，λ_{unit_xy}和λ_{unit_z}为分形交叉球杆模型中基本传热单元的等效热导率：

干燥状态下，

考虑含湿时，采用颗粒覆盖非均匀水膜等效结构替换干燥状态下的基本传热单元，其计算式为，

λ_{unit_xy}＝(1+h)×(K_Ⅴ+K_Ⅵ+K_Ⅶ) (5)

上述式中，λ_g为气相修正热导率，λ_s,secondary为考虑二次颗粒堆积的固相修正热导率，γ、a、h、M、K_Ⅰ～K_Ⅶ为与模型相关的结构参数，其中：

K_Ⅰ＝a²λ_s

M₁＝cos(θ₁)＝cos(arcsin(a))

M₂＝cos(θ₂)＝cos(arcsin(a+βh))

式中，λ_s、λ_l和λ_g分别为固相热导率、液相热导率和气相热导率；

4)对微米尺度结构，以纳米尺度结构的等效热导率计算结果为基础，以等效介质理论及Mie辐射散射理论为基本方法，综合考虑复合材料中的功能添加物对于材料辐射导热耦合传热的影响，实现气凝胶类纳米多孔复合隔热材料多尺度传热及等效热导率的理论预测。

2.根据权利要求1所述复杂使用环境下气凝胶类纳米多孔复合隔热材料等效热导率快速预测方法，其特征在于，所述气凝胶基体材料包括炭气凝胶、SiO₂气凝胶和Al₂O₃气凝胶，气相组分包括空气、N₂、He和Ar，遮光剂颗粒材料包括TiO₂和SiC，增强纤维材料包括石英纤维、SiC纤维、汽车硅玻璃纤维、常用浮法玻璃纤维、钠钙玻璃纤维和硼硅玻璃纤维，可扩充的计算对象基本参数数据库通过VB6.0可视化编程语言完成。

3.根据权利要求1所述复杂使用环境下气凝胶类纳米多孔复合隔热材料等效热导率快速预测方法，其特征在于，所述步骤2)中，通过表征测量手段，对气凝胶类纳米多孔复合隔热材料的微观结构形貌、孔径分布、比表面积、孔隙率、功能添加物结构、含量以及分布参数进行表征测量，并基于各自的特征尺度进行不同尺度结构划分、模型重构。