摘要
面对能源危机，绝热材料可以有效的防止建筑工程、输热管道和高温设备等的能量损失，实现节能减排。二氧化硅纳米颗粒凭借着超高的比表面积、可控的几何结构、较好的热稳定性和较低的制造成本等优点成为绝热材料的热门原料之一，在能源、建筑、医疗、化工等诸多领域内有着广泛的应用前景。以二氧化硅纳米颗粒制备的粉末成型多孔材料具有高孔隙率、高比表面积、低密度、极低热导率和良好的热稳定性等优点，近年来被作为一种新型绝热材料收到广泛关注。然而，该类材料的孔隙结构以及高温下的传热特性还不明确，严重影响了其在微尺度材料、高温应用等方向的开发利用。研究二氧化硅粉末成型多孔材料的传热机制与影响因素，对于该类的材料的应用有着重要的意义。基于此，本文系统的研究了二氧化硅纳米粉末成型材料的导热特性。 首先，在阅读和总结绝热材料热导率测量方法的基础上自主搭建了瞬态热带法高温热导率测量实验装置，为后续高温导热特性研究做准备。该实验装置主要由高温控温系统、热带加热系统和数据采集系统三部分组成，可以实现较高环境温度下材料热导率的测量，同时通过理论分析和实验对实验装置进行了可靠性验证和误差分析，结果表明实验装置满足本实验需求。 然后，通过冷压法制备了不同结构参数的二氧化硅纳米粉末成型多孔材料，探究了颗粒直径和制备压强等对样品体积、孔隙率和热导率等的影响，其中10nm二氧化硅制备的粉末成型材料热导率可以低至0.0413W/(m?K)。结合扫描电镜等实验方法观察了团聚结构在材料中的存在形式，研究了颗粒直径与团聚程度的关系。结合文献与实验数据分析并推导了适用于团聚情况下的纳米粉末成型多孔材料的分级堆积导热模型，并将模型预测结果与实验结果，以及他人的模型预测结果进行了对比分析，结果表明本文所建模型具有较好的精度和适用性。 再次，使用高温热导率测量装置，测量并分析了二氧化硅粉末成型多孔材料的高温热导率，结合光谱透射率、消光系数、Rosseland平均消光系数等辐射参数，研究了制备压强和颗粒粒径等对辐射热导率的影响。在实验结果的基础上，考虑辐射的影响，本文对高温下材料的气固有效热导率计算模型进行了改进，并给出了10nm二氧化硅粉末成型多孔材料气固有效热导率的计算公式。由于辐射传热的存在，纯二氧化硅粉末成型多孔材料的高温热导率高达0.15W/(m?K)。通过添加碳化硅作为遮光剂，本文进一步制备了复合纳米粉末成型材料，并研究了碳化硅的粒径和含量对材料高温热导率的影响，为制备高温超绝热材料提供参考。 最后，考虑到多孔材料在空气中易于吸水，而吸附水对材料热导率有着较大影响，本文研究并分析了环境湿度与粉末成型材料的吸湿速率和饱和含湿量等含湿特性之间的关系，以及环境湿度和样品参数等对饱和含湿样品热导率的影响关系，并得到了不同湿度环境中达到饱和含湿状态的样品的热导率在温度上升时的变化曲线，为微纳粉末成型材料在建筑节能等领域的应用提供了基础数据。
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