CN104326729A - 一种二氧化硅气凝胶遮光剂梯度掺杂结构 - Google Patents
一种二氧化硅气凝胶遮光剂梯度掺杂结构 Download PDFInfo
- Publication number
- CN104326729A CN104326729A CN201410546754.7A CN201410546754A CN104326729A CN 104326729 A CN104326729 A CN 104326729A CN 201410546754 A CN201410546754 A CN 201410546754A CN 104326729 A CN104326729 A CN 104326729A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- opalizer
- aerosil
- layer
- particle diameter
- actual condition
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
本发明提供一种二氧化硅气凝胶遮光剂梯度掺杂结构，在气凝胶材料的高温段采用高浓度、较小粒径，密度较低并且能够耐高温的碳化硅遮光剂材料；在低温段采用低浓度、较大粒径、碳黑材料遮光剂，本发明在遮光剂掺杂的情况下考虑了混合材料的固相热导率，在大幅降低材料的辐射热导率的同时，仅少量提升气凝胶材料固相热导率，并且在保证了掺杂气凝胶材料的化学稳定性的同时，达到了降低材料有效热导率，提高材料隔热效果的目的，可以满足航空航天、军用材料，以及工业高温热防护等应用要求，具有较强的实用性。
Description
技术领域
本发明属于纳米绝热材料技术领域，具体涉及一种二氧化硅气凝胶遮光剂梯度掺杂结构。
背景技术
随着航空航天技术的发展，飞行器的速度不断提高，飞行时间也不断提高，对隔热材料的要求也越来越苛刻。此时辐射传热为主导，因此利用纳米技术设计开发耐高温、低辐射热导率气凝胶复合材料已经成为目前航空航天高温热防护的重点。二氧化硅气凝胶是一种具有纳米多孔结构的超级绝热材料。二氧化硅气凝胶具有极低的密度，极高的孔隙率，其交错的纳米多孔网络结构能够高效地抑制热传导和热对流，常温常压下具有低于空气的热导率，是常温隔热性能极佳的固体材料。但由于以二氧化硅为主要材料的气凝胶对高温近红外波长的低吸收特性使得纯二氧化硅气凝胶材料具有极高的辐射热导率，故难以将纯二氧化硅气凝胶材料直接应用于高温热防护，因此需要遮光剂掺杂才能有效抑制辐射传热。不同遮光材料的遮光效果和温度承受能力不同，遮光剂颗粒最佳掺杂粒径与温度密切相关，而且遮光剂的掺杂会导致固相热导率升高，因此，亟待提出一种新的二氧化硅气凝胶遮光剂掺杂结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种二氧化硅气凝胶遮光剂梯度掺杂结构。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
掺杂在二氧化硅气凝胶中的遮光剂采用梯度材料，所述采用梯度材料是指在所述二氧化硅气凝胶与高温环境接触的一端掺杂遮光剂A，所述二氧化硅气凝胶的其余部分掺杂遮光剂B，遮光剂A的耐高温性能强于遮光剂B，遮光剂A以及遮光剂B在二氧化硅气凝胶中采用梯度粒径和梯度浓度掺杂。
所述遮光剂B的消光隔热效果优于遮光剂A。所述遮光剂A优选碳化硅，所述遮光剂B优选碳黑。
所述梯度粒径是指掺杂在二氧化硅气凝胶中的遮光剂A以及遮光剂B的粒径呈梯度变化，二氧化硅气凝胶中掺杂遮光剂A以及遮光剂B的区域沿实际工况中的温度梯度方向分别划分为若干层，同一层中掺杂的遮光剂粒径相同，距离所述高温环境越近，则对应层中掺杂的遮光剂A或遮光剂B的粒径越小。
同一层中掺杂的遮光剂的粒径是根据遮光剂材料的光学常数以及该层在实际工况中的平均温度，采用基于Maxwell方程组的球形颗粒Mie散射解并结合普朗克黑体辐射分布函数获得。
所述梯度浓度是指掺杂在二氧化硅气凝胶中的遮光剂A以及遮光剂B的掺杂浓度呈梯度变化，二氧化硅气凝胶中掺杂遮光剂A以及遮光剂B的区域沿实际工况中的温度梯度方向分别划分为若干层，距离所述高温环境越近，则对应层中掺杂的遮光剂A或遮光剂B的浓度越高。
某一层中掺杂的遮光剂的浓度是根据掺杂该遮光剂后的二氧化硅气凝胶的辐射热导率以及固相热导率之和取得最小值所对应的掺杂浓度确定。
所述二氧化硅气凝胶从所述一端开始依次划分为高温层、第一中间层、第二中间层以及低温层，每一层中仅掺杂一种遮光剂，同种遮光剂在所掺杂各层间采用梯度粒径和梯度浓度掺杂，高温层、第一中间层、第二中间层以及低温层中掺杂的遮光剂在对应层内均匀分布且粒径相同。
若二氧化硅气凝胶的某一层在实际工况中的平均温度≥600K，则在该层掺杂的遮光剂为碳化硅，若二氧化硅气凝胶的某一层在实际工况中的平均温度<600K，则在该层掺杂的遮光剂为碳黑。
若二氧化硅气凝胶的某一层在实际工况中的平均温度为≥300K且<600K时，则该层掺杂碳黑所采用的质量分数为26.73～48.8％，若二氧化硅气凝胶的某一层在实际工况中的平均温度为600～1300K时，则该层掺杂碳化硅所采用的质量分数为72.81～85.5％，且在实际工况中的平均温度较高的层采用较高浓度的碳黑或碳化硅掺杂，在实际工况中的平均温度较低的层，采用相对较低浓度的碳黑或碳化硅掺杂。
若二氧化硅气凝胶的某一层在实际工况中的平均温度为≥300K且<600K时，则该层掺杂碳黑所采用的粒径为3.6～2.2μm，若二氧化硅气凝胶的某一层在实际工况中的平均温度为600～1300K时，则该层掺杂碳化硅所采用的粒径为4.6～2.6μm，且在实际工况中的平均温度较高的层采用较小粒径的碳黑或碳化硅掺杂，在实际工况中的平均温度较低的层，采用相对较大粒径的碳黑或碳化硅掺杂。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
本发明所述二氧化硅气凝胶遮光剂梯度掺杂结构是一种耐高温、具有超低热导率纳米气凝胶绝热材料，在不同温度工况、等厚度、低密度条件下，通过掺杂结构优化使得气凝胶绝热材料导热系数更低，高温热防护效果更好。
进一步的，本发明最佳的掺杂浓度根据两种热导率之和的最小值取得，因而，能够有效降低材料辐射热导率的同时仅小幅提高材料固相热导率。最佳掺杂颗粒的粒径是根据遮光剂材料的光学常数和层平均温度，采用基于Maxwell方程组的球形颗粒Mie散射解结合普朗克黑体辐射分布函数获得。掺杂材料是根据多种常见遮光材料在密度、衰减特性、适用温度方面优选获得。因此，本发明提供的二氧化硅气凝胶遮光剂梯度掺杂结构可以有效降低材料的热导率，提高材料的高温热防护性能，在航空航天、国防以及工业高温热防护方面有较大应用范围，具有实用性。
进一步的，根据隔热材料在实际应用中其横截面上均存在温度梯度，因此本发明根据温度梯度设计了一种四层梯度遮光材料、梯度遮光剂粒径以及梯度浓度的掺杂结构。相比均匀掺杂，本发明不仅能够大幅降低材料辐射热导率而且最大程度的抑制了固相热导率增加，从而达到尽可能降低材料有效热导率的目的。
附图说明
图1是本发明所述二氧化硅气凝胶遮光剂梯度掺杂结构的示意图；
图2是二氧化硅气凝胶的不同掺杂方式下热导率对比；
图中：1为低温层，2为第二中间层，3为第一中间层，4为高温层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对发明做详细说明。
参见图1，二氧化硅气凝胶分为4个掺杂层(高温层、两层中间层以及低温层)，上下两端工况分别为低温(300K)和高温(1300K)，在气凝胶各层遮光剂采用梯度材料、梯度粒径和梯度浓度掺杂，掺杂材料(即遮光剂)种类是根据各层的平均温度选取，平均温度>＝600K时，掺杂耐高温并且消光隔热较好的碳化硅颗粒，平均温度<600K时，掺杂消光隔热效果更好但不耐高温的碳黑颗粒。
掺杂材料粒径是根据光学常数以及各层平均温度，通过计算球形颗粒Mie散射解并结合普朗克黑体辐射分布函数获得，在平均温度为≥300K且<600K时掺杂碳黑所采用的颗粒直径为3.6～2.2μm，平均温度为600～1300K时掺杂碳化硅所采用的颗粒直径为4.6～2.6μm。对于同种遮光剂颗粒高温下采用较小粒径遮光剂颗粒，低温下采用相对较大粒径遮光剂颗粒。
掺杂材料浓度是根据辐射热导率以及固相热导率之和取得最小值所对应的掺杂浓度确定，所述高温层采用较大遮光剂掺杂浓度，中间层以及低温层采用相对较低遮光剂掺杂浓度，形成梯度浓度掺杂。对密度为100kg/m3的二氧化硅气凝胶，在温度为≥300K且<600K时掺杂碳黑所采用的质量分数为26.73％～48.8％，在温度为600～1300K时掺杂碳化硅所采用的质量分数为72.81％～85.5％。
所掺杂遮光剂颗粒在各层均匀分布。
本发明提供的二氧化硅气凝胶遮光剂梯度掺杂结构可以根据其应用温度调整掺杂材料组分，粒径和掺杂浓度。这种梯度掺杂结构设计的好处是对于不同工况需求的高温隔热材料均可以达到最佳隔热性能。
实施例：
隔热材料应用工况为：高温端为1300K，低温端为300K，二氧化硅气凝胶密度为100kg/m3。
二氧化硅气凝胶分为4个掺杂层，其每层平均温度从低到高依次为500、700、900和1100K。因此，温度升高方向采用两种掺杂材料：碳黑和碳化硅。低温层采用碳黑，中间层两层及高温层采用碳化硅。掺杂碳黑在500K所采用的最佳颗粒直径为2.8μm，采用的最佳质量分数43.23％。掺杂碳化硅在700、900和1200K所采用的最佳颗粒直径分别为3.4、2.8和2.6μm，采用的最佳质量分数分别为76.49％、81.24％和84.73％。
图2对比了三种二氧化硅气凝胶的掺杂方式，分别为根据单层一个平均温度选取最佳粒径与最佳浓度碳化硅掺杂，根据四层四个平均温度选取的最佳掺杂粒径与最佳掺杂浓度碳化硅掺杂和本发明提出的4层碳黑和碳化硅混合最佳掺杂。三种掺杂气凝胶低温端均为300K，高温端分别为1000、1100、1200和1300K。由图可知，本发明提出的掺杂结构比起单组份单层与多层最佳掺杂，能够进一步降低二氧化硅气凝胶隔热材料热导率，提高材料的隔热性能。
Claims (10)
1.一种二氧化硅气凝胶遮光剂梯度掺杂结构，其特征在于：掺杂在二氧化硅气凝胶中的遮光剂采用梯度材料，所述采用梯度材料是指在所述二氧化硅气凝胶与高温环境接触的一端掺杂遮光剂A，所述二氧化硅气凝胶的其余部分掺杂遮光剂B，遮光剂A的耐高温性能强于遮光剂B，遮光剂A以及遮光剂B在二氧化硅气凝胶中采用梯度粒径和梯度浓度掺杂。
2.根据权利要求1所述一种二氧化硅气凝胶遮光剂梯度掺杂结构，其特征在于：所述遮光剂B的消光隔热效果优于遮光剂A。
3.根据权利要求1所述一种二氧化硅气凝胶遮光剂梯度掺杂结构，其特征在于：所述梯度粒径是指掺杂在二氧化硅气凝胶中的遮光剂A以及遮光剂B的粒径呈梯度变化，二氧化硅气凝胶中掺杂遮光剂A以及遮光剂B的区域沿实际工况中的温度梯度方向分别划分为若干层，同一层中掺杂的遮光剂粒径相同，距离所述高温环境越近，则对应层中掺杂的遮光剂A或遮光剂B的粒径越小。
4.根据权利要求3所述一种二氧化硅气凝胶遮光剂梯度掺杂结构，其特征在于：同一层中掺杂的遮光剂的粒径是根据遮光剂材料的光学常数以及该层在实际工况中的平均温度，采用基于Maxwell方程组的球形颗粒Mie散射解并结合普朗克黑体辐射分布函数获得。
5.根据权利要求1所述一种二氧化硅气凝胶遮光剂梯度掺杂结构，其特征在于：所述梯度浓度是指掺杂在二氧化硅气凝胶中的遮光剂A以及遮光剂B的掺杂浓度呈梯度变化，二氧化硅气凝胶中掺杂遮光剂A以及遮光剂B的区域沿实际工况中的温度梯度方向分别划分为若干层，距离所述高温环境越近，则对应层中掺杂的遮光剂A或遮光剂B的浓度越高。
6.根据权利要求5所述一种二氧化硅气凝胶遮光剂梯度掺杂结构，其特征在于：某一层中掺杂的遮光剂的浓度是根据掺杂该遮光剂后的二氧化硅气凝胶的辐射热导率以及固相热导率之和取得最小值所对应的掺杂浓度确定。
7.根据权利要求1所述一种二氧化硅气凝胶遮光剂梯度掺杂结构，其特征在于：所述二氧化硅气凝胶从所述一端开始依次划分为高温层(4)、第一中间层(3)、第二中间层(2)以及低温层(1)，每一层中仅掺杂一种遮光剂，同种遮光剂在所掺杂各层间采用梯度粒径和梯度浓度掺杂，高温层、第一中间层、第二中间层以及低温层中掺杂的遮光剂在对应层内均匀分布且粒径相同。
8.根据权利要求1所述一种二氧化硅气凝胶遮光剂梯度掺杂结构，其特征在于：若二氧化硅气凝胶的某一层在实际工况中的平均温度≥600K，则在该层掺杂的遮光剂为碳化硅，若二氧化硅气凝胶的某一层在实际工况中的平均温度<600K，则在该层掺杂的遮光剂为碳黑。
9.根据权利要求8所述一种二氧化硅气凝胶遮光剂梯度掺杂结构，其特征在于：若二氧化硅气凝胶的某一层在实际工况中的平均温度为≥300K且<600K时，则该层掺杂碳黑所采用的质量分数为26.73～48.8％，若二氧化硅气凝胶的某一层在实际工况中的平均温度为600～1300K时，则该层掺杂碳化硅所采用的质量分数为72.81～85.5％，且在实际工况中的平均温度较高的层采用较高浓度的碳黑或碳化硅掺杂，在实际工况中的平均温度较低的层，采用相对较低浓度的碳黑或碳化硅掺杂。
10.根据权利要求8所述一种二氧化硅气凝胶遮光剂梯度掺杂结构，其特征在于：若二氧化硅气凝胶的某一层在实际工况中的平均温度为≥300K且<600K时，则该层掺杂碳黑所采用的粒径为3.6～2.2μm，若二氧化硅气凝胶的某一层在实际工况中的平均温度为600～1300K时，则该层掺杂碳化硅所采用的粒径为4.6～2.6μm，且在实际工况中的平均温度较高的层采用较小粒径的碳黑或碳化硅掺杂，在实际工况中的平均温度较低的层，采用相对较大粒径的碳黑或碳化硅掺杂。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410546754.7A CN104326729B (zh) | 2014-10-15 | 2014-10-15 | 一种二氧化硅气凝胶遮光剂梯度掺杂结构 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410546754.7A CN104326729B (zh) | 2014-10-15 | 2014-10-15 | 一种二氧化硅气凝胶遮光剂梯度掺杂结构 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN104326729A true CN104326729A (zh) | 2015-02-04 |
| CN104326729B CN104326729B (zh) | 2016-04-27 |
Family
ID=52401556
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201410546754.7A Active CN104326729B (zh) | 2014-10-15 | 2014-10-15 | 一种二氧化硅气凝胶遮光剂梯度掺杂结构 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN104326729B (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107696630A (zh) * | 2017-09-29 | 2018-02-16 | 西安交通大学 | 一种含吸热型遮光剂的气凝胶梯度隔热材料 |
| CN109817285A (zh) * | 2019-01-31 | 2019-05-28 | 西安交通大学 | 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 |
-
2014
- 2014-10-15 CN CN201410546754.7A patent/CN104326729B/zh active Active
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 孙夺等: "气凝胶-遮光剂复合材料中遮光剂的辐射特性", 《应用基础与工程科学学报》, vol. 20, 30 September 2012 (2012-09-30), pages 181 - 189 * |
| 徐庭: "SiO2纳米微孔绝热材料的制备和性能研究"", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ι辑》, no. 6, 15 June 2012 (2012-06-15), pages 36 - 37 * |
| 赵俊杰等: "红外遮光剂颗粒的光学和辐射特性分析", 《热科学与技术》, 31 December 2012 (2012-12-31), pages 283 - 288 * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107696630A (zh) * | 2017-09-29 | 2018-02-16 | 西安交通大学 | 一种含吸热型遮光剂的气凝胶梯度隔热材料 |
| CN107696630B (zh) * | 2017-09-29 | 2020-07-28 | 西安交通大学 | 一种含吸热型遮光剂的气凝胶梯度隔热材料 |
| CN109817285A (zh) * | 2019-01-31 | 2019-05-28 | 西安交通大学 | 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 |
| CN109817285B (zh) * | 2019-01-31 | 2020-09-08 | 西安交通大学 | 一种等效热导率快速预测方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104326729B (zh) | 2016-04-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Goudarzi et al. | An experimental investigation on the simultaneous effect of CuO–H2O nanofluid and receiver helical pipe on the thermal efficiency of a cylindrical solar collector | |
| Yuan et al. | Heat insulation properties of silica aerogel/glass fiber composites fabricated by press forming | |
| Spinnler et al. | Studies on high-temperature multilayer thermal insulations | |
| Hinojosa et al. | Nusselt number for the natural convection and surface thermal radiation in a square tilted open cavity | |
| Li et al. | Application of a high thermal conductivity C/C composite in a heat-redistribution thermal protection system | |
| Tang et al. | Thermal performance enhancement of an ultra-thin flattened heat pipe with multiple wick structure | |
| Qi et al. | Thermal protective performance of aerogel embedded firefighter's protective clothing | |
| Liu et al. | Experiment and identification of thermal conductivity and extinction coefficient of silica aerogel composite | |
| Feng et al. | Thermal insulation constructal optimization for steel rolling reheating furnace wall based on entransy dissipation extremum principle | |
| CN104326729B (zh) | 一种二氧化硅气凝胶遮光剂梯度掺杂结构 | |
| Zhu et al. | Design and thermal insulation performance analysis of endothermic opacifiers doped silica aerogels | |
| CN110826265A (zh) | 基于变换热辐射和热传导理论设计的热隐身斗篷 | |
| CN107696630B (zh) | 一种含吸热型遮光剂的气凝胶梯度隔热材料 | |
| Fan et al. | Enhanced heat dissipation in graphite-silver-polyimide structure for electronic cooling | |
| Guo et al. | Experimental study on radiant cooling with double-skin infrared-transparent membranes | |
| Saedodin et al. | Experimental and numerical investigations on enclosure pressure effects on radiation and convection heat losses from two finite concentric cylinders using two radiation shields | |
| Wang et al. | Preparation and characterization of new-type high-temperature vacuum insulation composites with graphite felt core material | |
| Xu et al. | Design and evaluation of variable porosity charring composite for thermal protection system of reentry vehicles | |
| Fang et al. | Transient thermal performance of multilayer thermal protection systems doped with phase change materials | |
| Ren et al. | Graphite films/carbon fiber fabric/polyurethane composites with ultrahigh in-plane thermal conductivity and enhanced mechanical properties | |
| Wu et al. | Porous materials with thin interlayers for optimal thermal insulation | |
| Wang et al. | Insulation performance analysis of novel high-temperature vacuum insulated panels with 2D and 2.5 D braided structures | |
| Zhao et al. | Monte Carlo study on carbon-gradient-doped silica aerogel insulation | |
| Athanasopoulos et al. | Heat Manipulation Using Highly Anisotropic Pitch‐Based Carbon Fiber Composites | |
| Xiaodai et al. | Thermal performance study for hybrid SOFI and MLI system used in space |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20210616 Address after: 411100 No. 37 Lizhi Road, Jiuhua Jingkai District, Xiangtan City, Hunan Province Patentee after: HUNAN RONGLAN INTELLIGENT TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: Beilin District Xianning West Road 710049, Shaanxi city of Xi'an province No. 28 Patentee before: XI'AN JIAOTONG University |