氣凝膠中遮光劑的透過率研究

摘 要：本文將氣凝膠中遮光劑材料看作是球形顆粒分散系，應用多散射理論計算電磁波經遮光劑散射后的透過率。選擇炭黑為遮光劑材料，用Matlab編程計算，結果發現：遮光劑半徑大小對材料的透過率有影響，對紅外線，其熱透過率極小值出現在r=0.7um處，這個半徑值正是制備炭黑遮光劑球形顆粒的最佳半徑。

關鍵詞：氣凝膠；遮光劑；透過率

1 引言

隔熱材料廣泛應用于社會生活各個方面。如軍事，國外的航天器、超音速飛機、以及高空無人機的表面涂覆了一層隔熱涂料，它能有效消除飛行器在高速飛行中外部空氣摩擦引起的熱輻射對其內部的影響；如工業運輸，石油、冶金、化工等的工業管道外包覆的保溫材料；如民用生產，汽車、家用電飯煲、燜鍋、電冰箱中起保溫隔熱作用的材料[1]。

隔熱材料中屬于熱阻隔型多孔輕質材料的氣凝膠隔熱材料因其輕、薄的特點，是首選的軍用飛機表面隔熱涂料。純氣凝膠隔熱材料是沒有這種超強的高溫隔熱效果的，其中必須加入遮光劑顆粒。因為，熱輻射主要由波長為2～8？滋m紅外線引起的，氣凝膠的骨架顆粒在納米的量級，對這個波段的電磁波幾乎表現為全透過，其隔熱效果主要是通過多孔網格間的空氣隙完成的，隔熱效果非常有限。為進一步增強其隔熱能力，往往在其粉體材料中加入遮光劑顆粒，顆粒粒徑通常選用與紅外線波長為同一量級。遮光劑的種類有碳黑以及無機化合物粉末（SiC、ZrO2、TiO2等），其輻射傳輸性能與遮光劑的復折射率、粒徑大小、質量百分比等有關。實驗室一般將氣凝膠粉末與遮光劑材料壓制而成氣凝膠復合材料。但是由于涉及軍事機密，關于這種高溫隔熱涂料的制備技術和熱輻射阻隔的理論機理國內外發表的論文幾乎沒有。國內很多單位對氣凝膠隔熱材料也進行了研究，但一直沒有很好的解析氣凝膠隔熱材料的熱傳輸特性[2]。

本文將遮光劑材料看作是球形顆粒分散系，應用多散射理論計算電磁波在氣凝膠遮光劑材料的透過率。遮光劑材料選為炭黑，用Matlab編程計算，揭示遮光劑粒子中復折射率、粒徑大小、質量百分數對透過率的影響，進而指導遮光劑材料的選擇和尺寸設計，為推動新型高溫隔熱涂料的設計與制作提供理論指導。

2 計算方法

首先，基于單體Mie散射理論計算不同粒徑下的散射系數、吸收系數、消光系數和相函數。Mie散射理論是從電磁場理論的麥克斯韋方程組及其邊界條件出發，從理論上先求取由各類貝塞爾函數組合而成的米氏系數，再得到由散射幅度函數和效率因子（散射系數、吸收系數、消光系數）?；诙嗌⑸淅碚?，根據熱輻射傳輸方程計算電磁波輻射傳輸強度，考慮介質局域輻射強度隨時間變化速度遠小于光速的近似，以及局域熱力學平衡態假設，修正輻射傳輸方程。對半徑相同、濃度較低的單一分散系，光散射過程屬于不相關的單散射，基于比爾-朗伯定律（B-L定律）定義傳遞函數；對粒徑有一定分布的低濃度單一分散系，仍可作為單粒子散射體系處理，只是單粒子散射截面按遮光劑顆粒粒徑分布要做一個修正，第一次修正傳遞函數；考慮小角度近似，第二次修正傳遞函數；考慮多次散射，引入修正因子Ct[3]，第三次次修正傳遞函數。傳遞函數中包含熱傳輸透過率這個物理量。

其次，編程計算。根據上述理論建立模型，基于Matlab編程，可計算高濃度球形單一分散系電磁波透過率。根據單體Mie散射理論，編寫子程序scator，計算單體電磁波散射的消光系數與散射系數；編寫子程序phase，計算單體電磁波散射的相函數；根據多體散射理論，編寫主程序，計算復合氣凝膠材料單分散球形顆粒系熱輻射透過率，其中要調用子程序scator與phase。

3 結果與討論

假設遮光劑顆粒均為球形，且半徑尺寸單一， 均勻分散于氣凝膠納米顆粒組成的骨架中。遮光劑材料選為炭黑C，對應波長在2-8um的復折射率（n*=n-ik）見圖1。

圖2 炭黑透過率T與遮光劑顆粒半徑r的關系

氣凝膠遮光劑復合材料厚度為40um，遮光劑占整個氣凝膠遮光劑復合材料的質量百分比為20%?；诙嗌⑸淅碚摼幊逃嬎?，我們得到炭黑作為遮光劑材料的透過率與顆粒半徑的關系，如圖2。從透過率與遮光劑顆粒半徑之間的關系來看，透過率隨半徑的增加都是先減小，接著增大，然后漸趨平穩，其中透過率極小值出現在r=0.7um處，這個半徑值正是制備炭黑遮光劑球形顆粒的最佳半徑。

參考文獻

[1]鄧忠生，王玨，陳玲燕.氣凝膠應用研究進展[J].材料導報，1999.

[2]李東輝，夏新林，張順德.納米隔熱材料熱輻射特性的理論研究[J].宇航材料工藝2012（2）.

[3]Anatoli P. Nefedov， Oleg F. Petrov， and Olga S. Vaulina，Analysis of Particles Sizes， Concentration and Refractive Index in Measurements of Light Transmittance in the Forward-Scattering-Angle Range[J]. Appl.Opt，1997，36（6）：1357-1366.