基于二氧化硅氣凝膠的多層隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計與隔熱效果評價

王蓉 趙梓文 唐秀之

摘 要：【目的】多孔隔熱材料因其在設(shè)計性、功能化和易于組裝方面的優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用，但需要解決其在短期和高效隔熱方面存在的重大障礙。【方法】為解決這個問題，以硅氣凝膠為主體、石蠟為相變材料（PCM），構(gòu)建多層隔熱結(jié)構(gòu)（MTIS）。通過優(yōu)化分層結(jié)構(gòu)，記錄冷端隨時間變化的溫度，并評估其隔熱性能?！窘Y(jié)果】研究發(fā)現(xiàn)，MTIS的隔熱性能與所應(yīng)用的PCM和組裝方式密切相關(guān)。在各種組合中，以石蠟填充氣凝膠為中間層的疊層（雙層）夾層結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的隔熱性能。在300 °C下加熱10 min后，10 mm的多層夾層結(jié)構(gòu)的冷端溫度僅為59 °C，顯著低于其他模式下的67 °C或71 °C?！窘Y(jié)論】這種優(yōu)化設(shè)計的本質(zhì)是改變MTIS的熱平衡路徑，來實(shí)現(xiàn)短期和高效的隔熱，使其在各種隔熱應(yīng)用中具有一定的通用性。

關(guān)鍵詞：多層隔熱氣凝膠；相變材料；高效率

中圖分類號：TG333 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ?文章編號：1003-5168（2023）14-0051-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.14.010

Multilayer Thermal Insulation Structure Design and Thermal Insulation Effect Evaluation Based on Silica Aerogel

WANG Rong ZHAO Ziwen TANG Xiuzhi

（Institute of Aerospace Technology， Central South University， Changsha 410083，China）

Abstract： [Purposes] Porous thermal insulation materials have gained popularity due to their advantages in designability， functionalization， and ease of assembly， but it is necessary to solve significant technical barriers in short-term and high-efficiency insulation. [Methods] To address this issue， in this work， silica aerogel was used as the main body and paraffin was adopted as the phase change material （PCM） to construct a multilayer thermal insulation structure （MTIS）. By optimizing the layered structure， the time-varied temperature of the cold end was recorded to evaluate the thermal insulation performances. [Findings] ?It is found that the thermal insulation performances of MTIS are strongly related to the applied PCM and the assemble modes. The results confirm the stacked （double） sandwich structure with paraffin-filled aerogel as the middle layer has the superior thermal insulation among various combinations. After being heated at 300 ℃ for 10 minutes， the cold-end temperature of a 10 mm multilayer sandwich structure is only 59 ℃， remarkably lower than 67 or 71 ℃ in the other modes. [Conclusions] The essence of this optimal design is to alter the thermal balance path of the MTIS to achieve short-term and high-efficiency insulation， making it a certain universality in various heat insulation applications.

Keywords： aerogel thermal insulation multilayer; phase change material; high-efficiency

0 引言

隔熱保護(hù)在多個技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，如高速飛機(jī)［1-4］、高溫防護(hù)服［5-6］、工業(yè)設(shè)備［7-8］等。原則上，熱量可通過三種途徑來阻斷，即傳導(dǎo)、對流和輻射。通常情況下，當(dāng)溫度不是很高時，熱輻射部分可忽略不計。因此，多孔材料（如二氧化硅氣凝膠）因其具有特殊的納米級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、超高孔隙率、極低的導(dǎo)熱性和體積密度，在隔熱保護(hù)研究方面受到越來越多的關(guān)注。

近年來，具有短時和高效率的隔熱保護(hù)應(yīng)用成為迫切需求，同時也是一個巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)?？紤]到熱量不能被阻擋等因素，目前出現(xiàn)具有豐富隔熱機(jī)制的多層隔熱結(jié)構(gòu)（MTIS），MTIS由熱反射層、熱絕緣層和熱吸收層組成［9］。影響MTIS隔熱性能的因素不僅有材料的固有特性，還包括厚度、堆疊方式和層間的綜合效應(yīng)［9-11］。Liu等［12］設(shè)計出一個MIS，該MIS結(jié)合熱疏浚和熱屏蔽性能，可實(shí)現(xiàn)垂直隔熱和局部熱點(diǎn)保護(hù)目標(biāo)。Dou等［13］在具有二元網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的二氧化硅納米纖維氣凝膠框架內(nèi)組裝二氧化硅氣凝膠。這種結(jié)構(gòu)具有抗疲勞性和彈性，并且具有極低的導(dǎo)熱性，在絕熱領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。Lyu等［14］制備的Kevlar納米纖維氣凝膠（KNA）膜表現(xiàn)出優(yōu)異的隔熱性能，并進(jìn)一步制備出具有優(yōu)異熱管理能力和紅外隱身效果的KNA/PCM復(fù)合膜。氣凝膠和PCM的結(jié)合被證明是一種有效的短時高效隔熱法。

目前，PCM被廣泛應(yīng)用于隔熱和儲能領(lǐng)域，如空調(diào)［15］、太陽能存儲［16-17］等。PCM可以在相變過程中吸收或釋放大量能量，并保持溫度恒定［18-19］。PCM分為無機(jī)PCM和有機(jī)PCM［20］，無機(jī)PCM主要包括金屬鹽水合物、堿水合物等，有機(jī)PCM主要包括石蠟和脂肪酸。相比之下，有機(jī)PCM具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、無相分離和熱循環(huán)穩(wěn)定性［21-22］。在對PCM和氣凝膠的研究方面，Shaid等［6］將PCM和氣氣凝膠應(yīng)用于消防員的防護(hù)服中，分析其熱防護(hù)和舒適性，發(fā)現(xiàn)同時使用PCM和氣凝膠可實(shí)現(xiàn)理想的熱防護(hù)性能。通過數(shù)值方法，Xie等［23］研究了由氧化鋁氣凝膠、二氧化硅氣凝膠和PCM摻雜的二氧化硅氣凝膠組成的MTIS的瞬態(tài)傳熱特性，研究表明，PCM可通過適當(dāng)布置多層隔熱材料來改善短期隔熱性能；Zhou等［24-26］通過將含有赤蘚糖醇和石蠟的固液PCM滲透到氣凝膠基質(zhì)中，制備了二氧化硅氣凝膠/PCM復(fù)合材料，由于PCM在高熱通量環(huán)境中的快速吸熱，復(fù)合材料的溫度可快速控制。因此，PCM與氣凝膠的結(jié)合可改善MTIS的溫度調(diào)節(jié)和隔熱性能。然而，PCM的引入必然會增加MTIS的整體導(dǎo)熱率［23］。潛熱容量和熱導(dǎo)率之間存在微妙的權(quán)衡，可通過對優(yōu)化層的布置來平衡。

因此，考慮使用多層結(jié)構(gòu)可充分利用氣凝膠的隔熱性能，本研究以不同方式堆疊的二氧化硅氣凝膠和摻雜PCM的二氧化硅氣凝膠為研究對象，探索具有不同熔點(diǎn)的PCM對隔熱性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)隔熱層和石蠟層交替堆疊時，絕熱效果最好。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)用二氧化硅氣凝膠（密度0.25±0.2 g/cm3）購自蘇州熱象納米科技有限公司，1號石蠟（熔點(diǎn)48～50 ℃）購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，2號石蠟（熔點(diǎn)58～60 ℃）購自上海華由康復(fù)器材有限公司，3號石蠟（熔點(diǎn)80～82 ℃）購自中國石油天然氣股份有限公司，4號石蠟（熔點(diǎn)110～120 ℃）購自上海萊布型科技有限公司。

1.2 多層復(fù)合材料的制備

制備流程如圖1所示。首先，將氣凝膠織物切成長方體（30 mm×30 mm×2 mm）備用。其次，將一定量的石蠟加入燒杯中，在300 ℃的加熱板上進(jìn)行加熱，直到所有石蠟完全熔化。再次，將氣凝膠長方體與熔融石蠟混合，要反復(fù)滾動立方體。最后，取出氣凝膠長方體，并冷卻至室溫。浸漬產(chǎn)物被一層鋁箔（PCM層）包裹，可防止石蠟在隨后的高溫測試期間溢出。此外，沒有石蠟浸漬的氣凝膠長方體被稱為隔熱層，與PCM層組合成不同類型的MTIS。

1.3 測試和表征

1.3.1 材料結(jié)構(gòu)和性能表征。使用日本JEOL公司（JEM-2100F）生產(chǎn)的掃描電子顯微鏡（SEM）來檢測樣品的微觀結(jié)構(gòu)。通過熱重分析儀（Setaram，法國）來研究熱性能。測試分析是在N2下進(jìn)行的，氣體流速為10 mL/min，控制測試過程，以5 ℃/min的速度將溫度從室溫升高至1 000 ℃。樣品的抗壓強(qiáng)度由萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)（WBE-9010B）來測試。

1.3.2 隔熱性能測試。溫度測試裝置示意如圖2所示。溫度由智能溫度控制器控制，設(shè)置為300 ℃。當(dāng)加熱臺的溫度達(dá)到300 ℃時，將MTIS放置在加熱臺上，熱電偶溫度計顯示冷端的變化溫度。

2 結(jié)果和討論

2.1 隔熱材料的微觀形態(tài)

SiO2氣凝膠填充石蠟前后的微觀結(jié)構(gòu)如圖3所示。在圖3（a）中，粉末狀SiO2氣凝膠均勻分散在織物中；圖3（b）所示的放大圖像表明，納米級SiO2顆粒沿織物中的纖維緊密聚集，但內(nèi)部仍有一些不均勻的孔洞。相比之下，石蠟填充氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)更致密，相對光滑，沒有可見纖維。但圖3（d）中所示的細(xì)節(jié)證實(shí)，由于石蠟的固化，仍有許多帶有尖銳邊緣的褶皺，表明石蠟成功地注入到氣凝膠織物中，同時也說明具有高孔隙率和納米固體框架的SiO2氣凝膠特別適合用于PCM和隔熱材料的負(fù)載。

2.2 熱分析

不同熔點(diǎn)的各種石蠟的TGA和DTG曲線如圖4所示。由圖4可知，隨著石蠟熔點(diǎn)的增加，DTG峰的溫度也會相應(yīng)升高。熱穩(wěn)定性的差異主要?dú)w因于聚合物陶瓷。通常情況下，具有高熔點(diǎn)的石蠟由長的聚合物鏈組成，因此這些聚合物鏈運(yùn)動的驅(qū)動力很大。不同石蠟填充的SiO2氣凝膠的TGA曲線如圖5所示。由于SiO2和石蠟的質(zhì)量損失，含有PCM的SiO2氣凝膠的所有曲線都表現(xiàn)出兩個失重階段?；诩僑iO2氣凝膠的最終殘余百分比和質(zhì)量損失比，SiO2/1、SiO2/2、SiO2/3和SiO2/4的PCM負(fù)載分別約為67%、73%、85%和77%。此外，通過收集石蠟的DSC數(shù)據(jù)，來研究PCM層的潛熱，這與MTIS的隔熱性能直接相關(guān)。不同熔點(diǎn)石蠟的DSC曲線如圖6所示。圖6中的DSC曲線證實(shí)了所用石蠟的不同熱性質(zhì)。石蠟的熔點(diǎn)及石蠟和填充石蠟的氣凝膠的潛熱如圖7所示，石蠟的熔點(diǎn)和潛熱值從1到4依次升高。填充有石蠟4的SiO2氣凝膠具有最高潛熱值（161 J/g），因此可以在相變期間吸收更多的熱量，實(shí)現(xiàn)更好的隔熱效果。

2.3 力學(xué)性能

不同熔點(diǎn)的石蠟填充SiO2氣凝膠的應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖8所示，填充石蠟的SiO2氣凝膠的壓縮性能如圖9所示。在整個壓縮過程中，注入石蠟的氣凝膠的壓縮曲線總體上要高于純SiO2氣凝膠曲線。此外，SiO2氣凝膠的壓縮模量為0.291 MPa，而添加石蠟的SiO2氣凝膠最大壓縮模量可為0.890 MPa，增加了175%。當(dāng)石蠟的熔點(diǎn)增加時，具有高熔點(diǎn)的SiO2氣凝膠的壓縮模量也會增加。添加PCM能增加復(fù)合材料的壓縮模量，使MTIS在高速下更耐應(yīng)力。此外，盡管石蠟填充氣凝膠的應(yīng)變明顯降低，但剩余的柔性仍足以支持MTIS的卷曲形成，卷曲圖片如圖10所示。

2.4 隔熱性能

評估圖2所示的裝置的隔熱效果，測試結(jié)果如圖11所示。測試結(jié)果構(gòu)建了由SiO2氣凝膠織物、PCM層組成的三層結(jié)構(gòu)。選擇1號石蠟作為PCM材料，改變PCM層和熱源間的距離，即組成3種（模式1、模式2和模式3）隔熱結(jié)構(gòu)，在10 min內(nèi)測試?yán)涠藴囟?。?.5 min內(nèi)，模式3中測得的溫度要高于模式1中的溫度。由于模式3中的石蠟層相對更靠近熱源，相變發(fā)生在早期階段，因此石蠟的潛熱被完全釋放。當(dāng)持續(xù)時間接近7 min時，模式3的溫度逐漸低于模式1的溫度。根據(jù)已有的研究可知，相變后PCM層的熱導(dǎo)率將降低［23］。由于PCM層遠(yuǎn)離熱源，且相變發(fā)生較晚，因此模式1中石蠟層的導(dǎo)熱率長期保持在高值。簡而言之，高導(dǎo)熱性平衡了吸收相變潛熱的影響，導(dǎo)致模式1中的最終溫度更高。此外，模式2的溫度在整個10 min測試期間保持最低，冷端溫度為82 ℃，明顯低于模式1的117 ℃和模式3的108 ℃。因此，將PCM層設(shè)置在中間的夾層堆疊模式不僅充分發(fā)揮石蠟的潛熱能力，還充分利用SiO2氣凝膠的隔熱能力。

此外，為確定PCM的熔點(diǎn)對熱性能的影響，基于模式1的夾層堆疊結(jié)構(gòu)選擇了4種類型的石蠟。測得的冷端溫度如圖12所示。在前4 min，溫差并不明顯，在持續(xù)加熱10 min后，其冷端溫度僅為74 ℃。根據(jù)圖6、圖7中顯示的數(shù)據(jù)，較高熔點(diǎn)的石蠟具有較高的相變溫度和較大的潛熱值，在相變期間要吸收更多的熱能。此外，使用具有高熔點(diǎn)的石蠟意味著相變過程在MTIS的加熱過程中延后發(fā)生。因此，填充有高熔點(diǎn)石蠟的樣品4的隔熱效果更好，在最后階段變得更加明顯。

上述分析結(jié)果表明，夾層結(jié)構(gòu)具有最佳的隔熱效果，并且填充石蠟的熔點(diǎn)越高，隔熱效果越好。在隨后的研究中，將總層數(shù)增加到5層，填充的石蠟固定為4號。根據(jù)圖11的研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)模式3（中間帶有PCM層的夾層結(jié)構(gòu)）具有更好的隔熱效果。因此，對具有更多層的MTIS，基于模式3設(shè)計出3種模式，如圖13所示。當(dāng)兩個PCM層相鄰堆疊時，與模式6相比，模式5（其中PCM層遠(yuǎn)離熱端）表現(xiàn)出更好的隔熱性。但在6 min后，模式6的隔熱效果更好。隔熱效果的反轉(zhuǎn)進(jìn)一步證實(shí)了先前的假設(shè)，即發(fā)生相變過程的時機(jī)和持續(xù)時間在調(diào)節(jié)材料的隔熱效果中起著關(guān)鍵作用。在隔熱層和相變層交替的模式4的情況下，冷端溫度在整個隔熱性能測試中始終最低，最終溫度僅為59 ℃，遠(yuǎn)低于模式5中的71 ℃和模式6中的67 ℃。模式4可視為模式2的擴(kuò)展，即雙三明治模式，通過該模式可以調(diào)節(jié)和延長相變的發(fā)生。

3 結(jié)語

本研究以SiO2氣凝膠為主體、石蠟為PCM，構(gòu)建了MTIS。微觀結(jié)構(gòu)圖表明，石蠟完全被SiO2氣凝膠浸漬。當(dāng)負(fù)載量非常接近時，這些填充有不同石蠟的PCM層表現(xiàn)出與熔點(diǎn)相關(guān)的熱吸收能力。PCM的加入將氣凝膠的壓縮強(qiáng)度從0.291 MPa提高到0.890 MPa，并保持一定的柔韌性。隔熱結(jié)果表明，石蠟的高熔點(diǎn)有利于提高隔熱效果。對于3層MTIS，中間帶有PCM層的夾層結(jié)構(gòu)具有最佳的隔熱性能。當(dāng)隔熱層的數(shù)量增加到5層時，通過交替堆疊PCM層和氣凝膠的雙夾層結(jié)構(gòu)是最佳的，其中冷端溫度在第10 min為59 ℃。通過改變MTIS中PCM層的位置和堆疊方式，可實(shí)現(xiàn)短時高效的隔熱效果。這種隔熱效果調(diào)節(jié)的本質(zhì)是通過改變相變的時機(jī)和持續(xù)時間來實(shí)現(xiàn)的。此外，PCM具有比純氣凝膠相對更高的導(dǎo)熱性這一因素也很重要。本研究的結(jié)論對從MTIS隔熱性能的研究從理論討論轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)用具有促進(jìn)作用。

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