多孔隔熱陶瓷的研究進展

楊春艷，盧 淼，劉培生

(北京師范大學核科學與技術(shù)學院，射線束技術(shù)與材料改性教育部重點實驗室，北京 100875)

多孔隔熱陶瓷的研究進展

楊春艷，盧 淼，劉培生

(北京師范大學核科學與技術(shù)學院，射線束技術(shù)與材料改性教育部重點實驗室，北京 100875)

多孔隔熱陶瓷以低導熱率陶瓷為基體，在空腔結(jié)構(gòu)內(nèi)充滿氣體形成復(fù)合材料，具有良好的隔熱效果，作為高溫絕熱材料廣泛應(yīng)用于建筑、航天、倉儲、機械等領(lǐng)域。針對多孔隔熱陶瓷的制備方法、隔熱機理、研究進展及導熱過程的常用分析方法等進行了系統(tǒng)的概述。

多孔陶瓷；有效導熱系數(shù)；隔熱

0 引 言

多孔陶瓷是一種富含氣孔的陶瓷基復(fù)合材料，除了具有陶瓷材料本身的耐高溫、耐腐蝕和不老化等性能外，還具有其它致密材料不具備的優(yōu)異特性，如輕質(zhì)、吸聲、隔熱、吸收能量、高比表面積等。這些性能使得多孔陶瓷可以在過濾凈化、催化劑附載、吸聲、減震、防火和保溫等方面具有良好的應(yīng)用。就其隔熱保溫性能而言，由于陶瓷本身的熱導率較低，多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)充斥的氣體又極大地增強了材料的隔熱性能，使得多孔陶瓷可以作為高溫絕熱材料被應(yīng)用于建筑、航天、倉儲、機械等領(lǐng)域，在各種建筑物、發(fā)動機、冰箱、工業(yè)窯爐等工程應(yīng)用極為適用，是重要的保溫、隔熱、保冷功能材料。因此對多孔隔熱材料的研究有著極重要的現(xiàn)實意義。

從20世紀70年代開始，多孔陶瓷的各項性能逐步受到了關(guān)注，各個國家相繼展開了對多孔材料的研究，1993年，Kia等人[1]首次研究了多孔陶瓷的隔熱性能，之后多孔陶瓷作為良好的隔熱材料而被人們逐漸的認識和改良。中國對于多孔陶瓷的研究較晚，大概在20世紀末才開始有人對多孔陶瓷進行研究，不過由于國家對多孔陶瓷及節(jié)能環(huán)保相關(guān)產(chǎn)業(yè)的重視，經(jīng)十多年的發(fā)展，多孔陶瓷已經(jīng)成為當前的一大研究熱點，開展對隔熱型陶瓷的研究具有廣泛的前景。本文就隔熱多孔陶瓷的制備方法，研究進展，導熱過程研究方法進行了系統(tǒng)的概述。

1 多孔隔熱陶瓷的制備方法

多孔陶瓷的制備主要可以分為固相法、液相法和氣相法三大類，具體包括固相化學反應(yīng)法、熱分解法、高能球磨法、超聲空穴法、固態(tài)置換法、爆炸法、添加造孔劑法、液熱法、溶膠-凝膠法、電解法、熱注射法、有機泡沫浸漬法、溶劑蒸發(fā)法、羰基法、沉淀法、還原法、水解法、顆粒直接堆積法、化學氣相沉積法、冷凍干燥法、等離子氣相合成法和油面蒸發(fā)法等數(shù)十種方法。影響多孔類材料的導熱系數(shù)的主要因素包括材料的類型、濕度、孔隙率、粒徑分布等，采用不同的制備方法獲得的多孔陶瓷的性能有很大的差異。具有良好的隔熱保溫性能的多孔陶瓷一般要求較高的孔隙率、一定的孔隙大小和較低的含水率，因此通常采用以下幾種方法制備。

1.1 添加造孔劑法

添加造孔劑法是指在陶瓷配料中添加造孔劑,利用造孔劑在坯體中占據(jù)一定的空間, 然后通過燒結(jié)過程中造孔劑揮發(fā)或者燒結(jié)后清除，留下氣孔而獲得多孔陶瓷。這種方法的優(yōu)勢在于可以調(diào)整造孔劑尺度、形狀和添加比例，借此控制多孔陶瓷的孔隙形狀、大小、孔隙率，進而控制多孔陶瓷的導熱性能。這種方法獲得產(chǎn)品的氣孔率一般為50%～70%左右，添加粉末或球形造孔劑可以獲得閉孔的多孔陶瓷，這樣的陶瓷一般具有較低的導熱系數(shù)，而添加纖維狀造孔劑則可以得到開孔的多孔陶瓷，其隔熱性能較弱而力學性能較好。造孔劑法的問題在于混料時造孔劑的密度和粒度通常和陶瓷粉料不一致，使得造孔劑很難均勻的分布在陶瓷基體中，導致獲得的多孔陶瓷的孔隙分布不均勻。

1.2 發(fā)泡法

發(fā)泡法是在陶瓷粉末胚體中添加有機或無機化學物質(zhì), 在熱處理期間，添加物揮發(fā)形成氣體，在基質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生泡沫, 經(jīng)干燥和燒成制成多孔陶瓷。發(fā)泡工藝更容易控制產(chǎn)品的成分和密度，特別適于生產(chǎn)閉氣孔型多孔陶瓷。利用發(fā)泡工藝可以得到高孔隙率(40%～90%)、高強度的多孔陶瓷材料, 孔徑尺寸一般大于2 mm。其優(yōu)點是產(chǎn)品的成分純凈，密度極低，孔隙完全封閉，制備效率高，缺點在于對原料化學性能要求高，工藝條件復(fù)雜，孔隙結(jié)構(gòu)不易控制，在發(fā)泡的過程中容易引起基體的開裂。

1.3 溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法是通過陶瓷粉末與表面活性劑混合、發(fā)泡、膠凝化，再干燥、燒結(jié)而成多孔陶瓷的方法。這種方法制備的多孔陶瓷孔隙率高，孔隙尺寸小，能充分發(fā)揮隔熱功能，細孔結(jié)構(gòu)均質(zhì)，抗折強度高，易于加工成型。這種多孔陶瓷克服了有機隔熱材料耐熱性差、污染環(huán)境等缺陷，具有不可燃、不吸濕、耐用和隔熱效果好的特點，可廣泛用于工業(yè)窯爐、鍋爐、干燥室、建筑隔熱等領(lǐng)域。

1.4 冷凍干燥法

冷凍干燥法的原理是將陶瓷料漿在低溫低壓條件下進行干燥處理，溶劑中的冰在干燥過程中升華排出，坯體中殘留的孔隙形成多孔結(jié)構(gòu)，之后進行燒結(jié)，便可獲得多孔陶瓷。該工藝的特點是坯體收縮小、燒結(jié)控制簡單、孔結(jié)構(gòu)可設(shè)計性強、制品機械強度相對較好。這種工藝還不會污染環(huán)境，是一種非常好的環(huán)境友好型制作工藝。曹陽賀和軍輝[2]以冰為模板，經(jīng)真空冷凍干燥過程制備了輕質(zhì)ZrO2多孔材料和水玻璃為粘結(jié)劑的超輕多孔ZrO2塊材，孔隙率達87%，且機械強度較高，在1300 ℃丁烷氣火焰灼燒下表現(xiàn)出較好的隔熱耐火性能。

1.5 小 結(jié)

孔隙率和孔隙結(jié)構(gòu)是影響多孔陶瓷隔熱性能的主要因素，然而隨著孔隙率的增加，多孔陶瓷的導熱系數(shù)和抗壓強度會同時降低，要獲得和空氣的導熱系數(shù)同一數(shù)量級的多孔陶瓷，其抗壓強度基本要趨近于為零。上述的各種制備方法都很難同時獲得極低的導熱系數(shù)和較高的抗壓強度，這是目前限制多孔隔熱陶瓷應(yīng)用最主要的因素。不同的制備方法獲得的多孔陶瓷的孔隙率及孔隙形態(tài)是不同的，閉孔型多孔陶瓷具有孔分布無序，孔徑不一致等缺點，因此很難建立和實際的導熱過程相一致的導熱模型，這也給多孔陶瓷的導熱過程的理論分析帶來了較大的困難。

2 多孔陶瓷類隔熱材料的研究進展

隔熱材料按照其針對用途區(qū)分，可以分為高溫隔熱和低溫隔熱兩類。高溫隔熱是為了阻止物體內(nèi)部的熱量向外擴散，提高熱能利用率，或者保持物體或容器的溫度不降低；低溫隔熱材料是為了阻止外界的熱量傳入，從而防止物體內(nèi)部溫度升高。多孔陶瓷具有較高的熔點，通常作為高溫隔熱材料，如航空發(fā)動機隔熱涂層，高速飛行器的表面熱防護，以及高溫爐的熱防護等等方面[3]。多孔材料的熱傳導主要是由固體導熱(包擴固體導熱和輻射導熱)和氣體導熱(氣體熱導，氣體對流以及輻射)組成，為增加其隔熱性能，還可以將內(nèi)部氣孔抽真空，而獲得更低的導熱率。下面本文將對其中重要的隔熱陶瓷類型及其應(yīng)用領(lǐng)域做簡單的介紹。

2.1 纖維多孔陶瓷

陶瓷纖維是一種集傳統(tǒng)絕熱材料、耐火材料優(yōu)良性能于一體的纖維狀輕質(zhì)耐火材料，主要化學成分為硅酸鋁，結(jié)構(gòu)具有氣孔率高，氣孔孔徑大及比表面積大等特點。陶瓷纖維產(chǎn)品的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)是一種由陶瓷纖維與空氣組成的多孔結(jié)構(gòu)，顯微結(jié)構(gòu)特點是固相和氣相都以連續(xù)相的形式存在，固態(tài)物質(zhì)以纖維狀存在，并構(gòu)成連續(xù)相骨架，而氣相則連續(xù)存在于纖維材料的骨架間隙之中。正是由于陶瓷纖維具有這種結(jié)構(gòu)，使其氣孔率較高、氣孔孔徑和比表面積較大，從而使陶瓷纖維具有優(yōu)良的隔熱性能和較小的體積密度。

陶瓷纖維隔熱材料由于具有密度低、熱導率低以及熱容量高等優(yōu)點,一直是導彈以及航天飛行器熱防護系統(tǒng)隔熱的首選材料，例如高速飛行航天器外表面隔熱用的隔熱瓦便是其中一種。

隔熱瓦通常是中空陶瓷纖維制成的隔熱材料或者是多層隔熱材料，纖維呈管狀結(jié)構(gòu)散亂分布在基體中，在隔熱過程中可以促使熱能無序流動從而達到較好的隔熱效果，同時還能具有較高的力學性能[4]。Zhao[5]等人通過分析高溫纖維隔熱材料在不同溫度和不同的壓強下的導熱系數(shù)，發(fā)現(xiàn)高溫纖維隔熱材料在低溫(300 k)低壓(10-3Pa)條件下導熱系數(shù)最低，約為0.01 W·m-1·K-1；隨著溫度和壓強的增大，材料的導熱系數(shù)呈非線性增長，在800 K和105 Pa的條件下，其導熱系數(shù)已經(jīng)增長到 0.08 W·m-1·K-1。我國山東工業(yè)陶瓷研究設(shè)計院欒強[6]等通過溶膠-凝膠法制得常溫下的導熱系數(shù)0.135 W·m-1·K-1的石英纖維增強石英基陶瓷隔熱材料。此類材料具有高強度、耐熱性能好，制造工藝簡單，成本低，周期短，可重復(fù)操作性強等特點。

2.2 大顆粒燒結(jié)陶瓷

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，陶瓷產(chǎn)業(yè)和冶金產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生的礦渣和陶瓷廢料越來越多，夏海斌等[7]以拋光廢渣、高溫砂、低溫沙、粘土為原料制備了具有保溫隔熱功能的環(huán)保型多孔陶瓷材料，實現(xiàn)了真正意義上的變廢為寶。這種方法制備出來的多孔陶瓷，其隔熱性能及強度不如其它的陶瓷，但是其工藝簡單，原料豐富且價格低廉，還能將一些工業(yè)廢料進行環(huán)境友好的處理。

由于天然資源的快速消耗，人們也在努力的把廢棄物轉(zhuǎn)化的原料應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中，比如利用石英沙等制備非粘土空心磚，既可以達到節(jié)約原料的目的，又可以節(jié)能減排。目前歐美70～80%的墻體的材料都變成了多孔磚[8]，應(yīng)用多孔隔熱材料可以使房屋達到冬暖夏涼的效果，在很大的程度上可以減少暖氣和空調(diào)等電器的使用，間接地節(jié)約了能源。

2.3 多孔熱障陶瓷涂層

熱障陶瓷涂層是當下用于飛機發(fā)動的最有效的隔熱材料，技術(shù)最成熟的是氧化釔穩(wěn)定氧化鋯涂層(PYSZ)TBCs，熱障涂層已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航天器和渦輪的熱端部件，通過降低金屬基體的溫度來保護熱端部件。為了進一步的提高熱障涂層的隔熱性能，人們又通過把熱障涂層制備成多孔形態(tài)。Jang和Matsuban[9]研究了溫度以及孔隙率對導熱系數(shù)的影響，確認引入孔隙能夠提高熱障涂層的隔熱性能。

2.4 復(fù)合隔熱陶瓷

多孔陶瓷隔熱材料主要用于高溫隔熱場合，但隔熱效果由于受到生產(chǎn)工藝的限制還難以進一步的提高，很難同時滿足各項要求，因此研究者通過制備陶瓷基復(fù)合材料來彌補這些不足，如陶瓷氣凝膠高效隔熱復(fù)合材料，高溫多層隔熱陶瓷復(fù)合材料等。

陶瓷氣凝膠高效隔熱復(fù)合材料是在氣凝膠中適當?shù)奶砑犹沾衫w維形成的復(fù)合材料。氣凝膠是一種以納米量級膠體粒子相互聚集構(gòu)成納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),并在孔隙中充滿氣態(tài)分散介質(zhì)的一種高分散固態(tài)材料。氣凝膠是目前隔熱效果最好的隔熱材料，但是它還存在以下兩個缺點：其一，納米SiO2氣凝膠對波長在3～8 mm的紅外輻射是透明的，對熱輻射的阻礙能力差，高溫隔熱性能還有待提高。李淑靜[10]等在SiO2氣凝膠中摻雜TiO2，降低SiO2的透光性，從而進一步降低了材料的導熱率。其二，氣凝膠的力學性能差，限制了它作為塊體材料的應(yīng)用。通過在氣凝膠中添加陶瓷纖維，增強氣凝膠的力學性能，同時提高氣凝膠復(fù)合材料的成型性。纖維本身也同樣具有較好的遮擋紅外輻射效果和較高的使用溫度，但纖維本身熱導率相對較高，因此纖維的含量不能太高。Deng等[11]添加10wt.%短切陶瓷纖維，得到的SiO2氣凝膠復(fù)合材料彎曲強度為0.128 MPa，是純氣凝膠彎曲強度(0.0l8 MPa)的7倍。美國NASAAmes研究中心為航天飛機開發(fā)的硅酸鋁纖維增強SiO2氣凝膠隔熱瓦，以硅酸鋁纖維預(yù)制件為骨架，納米孔結(jié)構(gòu)的氣凝膠填充于耐火纖維骨架之間的孔隙，其隔熱效果比傳統(tǒng)耐火纖維制品更好，熱導率更低。

高溫的夾層多孔陶瓷材料組合而成，金屬隔熱材料一般以層狀形式存在。在高溫下熱輻射是傳熱的主要的方式，因此采用若干層具有較高反射率的熱不透明金屬箔作為隔熱屏，以高溫無機纖維紙作為間隔物，交替疊鋪而成復(fù)合隔熱材料，金屬箔反射熱輻射，間隔物用以阻滯熱傳導，從而降低陶瓷纖維隔熱材料高溫輻射傳熱，提高隔熱效果。這種多層復(fù)合隔熱陶瓷材料是一種極為有效的高溫隔熱材料,可用作載人飛船座艙的隔熱,并在長征系列運載火箭和遠程導彈的局部區(qū)域得到了應(yīng)用。

2.5 小 結(jié)

不同形態(tài)，不同的制備工藝的多孔陶瓷和多孔陶瓷復(fù)合材料從消除對流導熱，降低輻射導熱，選用導熱系數(shù)低的原材料三方面著手，可以極大的降低多孔隔熱陶瓷材料的有效導熱系數(shù)，使多孔陶瓷具有熱傳導率低、抗熱震性能優(yōu)良等特性，是一種理想的隔熱耐熱材料。使用溫度高達1600 ℃的傳統(tǒng)窯爐和高溫電爐的內(nèi)襯就多為多孔陶瓷。多孔隔熱陶瓷在建筑、航天、倉儲、機械等各個領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，獲得耐受溫度更高，隔熱性能更好的多孔隔熱陶瓷仍然是廣大學者的重要研究課題。

3 多孔陶瓷的導熱機理

熱量在介質(zhì)中傳導的方式主要有三種：熱傳導、熱對流、熱輻射。熱傳導是指由于物體與熱源直接接觸而發(fā)生的傳導熱量的現(xiàn)象，是通過物質(zhì)本身的微觀粒子的熱運動來進行的，在固體、液體、氣體中都能發(fā)生。導電性的固體介質(zhì)中，熱傳導依靠自由電子的運動進行導熱，所以導熱率相對較高；非導電性的固體和液體的導熱主要是依靠分子、原子在平衡位置的振動進行的，所以導熱系數(shù)較低；而氣體則是依靠分子的熱運動而進行熱傳導，其導熱系數(shù)最低。多孔陶瓷可看作是陶瓷和空氣或其它的氣相的復(fù)合材料，通過等效導熱系數(shù)理論，可以用氣相的導熱系數(shù)與固相的導熱系數(shù)計算得到多孔陶瓷的導熱系數(shù)。熱對流是指熱量通過流動介質(zhì)，由空間的一處傳播到另一處的現(xiàn)象，一般只發(fā)生流體材料之中。熱輻射傳熱主要是通過一個物體輻射出的電磁波被另一個物體吸收、反射或透過而傳導熱量，也稱為輻射導熱。大量的實驗表明，在孔徑較小(孔隙當量直徑＜5 mm)的多孔介質(zhì)中，其孔隙中的熱對流可以忽略不計。而輻射換熱只有在固體顆粒間的溫度差較大，孔隙內(nèi)為真空或者是氣體的情況下才有明顯的作用。因此多孔材料的導熱系數(shù)隨著溫度的升高呈線性增長。

由于多孔隔熱材料大多是由固相和氣相(氣孔)構(gòu)成的，其導熱機理比單一相材料的機理更加復(fù)雜一些。在熱傳遞過程中，熱量從物體高溫部分傳向低溫部分時主要是有兩條傳遞的路徑：固相傳遞和氣相傳遞。在固相傳遞方面，熱量傳遞過程中，能量碰到氣孔后，依然通過固體傳遞，但其傳熱方向發(fā)生了變化，能量順著固相繞過氣孔繼續(xù)傳遞，而使其總的傳遞路線變長，從而使熱量的傳遞速度減緩。而在氣相傳遞方面，氣體的導熱系數(shù)較固相的低很多，所以熱量通過氣孔的阻力較大，這樣就減緩了熱量的傳遞速度，是多孔隔熱材料達到隔熱效果的真正原因所在。輻射傳熱在多孔介質(zhì)的溫度不高時可以忽略，只有在高溫下，其輻射換熱對導熱的影響不可忽略。如在Zhao[7]等人研究高溫纖維隔熱材料的隔熱性能時發(fā)現(xiàn)，在高溫低壓的條件下，氣體的對流導熱作用可以忽略不計，纖維隔熱材料的輻射部分的相對導熱系數(shù)占總的導熱系數(shù)的70～80%，而在高溫高壓的條件下，氣體導熱不可忽略，因此在高溫高壓下，纖維材料中的導熱由熱輻射和氣體導熱作用占主體地位。

隔熱材料的導熱系數(shù)不是獨立存在的，而是表征材料的熱輸運特性的物理量，即在能量的傳遞的過程中才能顯示，受到各種條件的影響。它與材料的密度，含水率，氣孔率，閉孔率、孔徑等參數(shù)有著密切的聯(lián)系。許多研究發(fā)現(xiàn)，絕熱材料中，氣孔率高、氣孔不連續(xù)、孔徑小、閉孔率高其導熱率低[12]。密度越小、氣孔率越高的材料，其導熱系數(shù)越低，但也不是密度越低越好，這往往要經(jīng)過綜合的評定。多孔陶瓷材料具有良好的絕熱效果，主要是因為其結(jié)構(gòu)中含有大量的閉孔氣泡，在這樣的微小孔徑內(nèi)，對流的影響很小，因此隔熱性能比一般的材料好很多；而中空纖維制成的隔熱材料具有小的導熱系數(shù)的主要原因是中空的纖維的無序狀態(tài)，增加了熱量傳遞的路程，間接降低了該材料的導熱系數(shù)[6]。

4 陶瓷隔熱材料導熱過程的研究方法概述

對多孔介質(zhì)中的導熱過程的研究方法，通常包含三種[3]：⑴模型法：按照所討論現(xiàn)象的實際的情況，提出物理模型或假設(shè)；再根據(jù)能量守恒及本構(gòu)定律列出數(shù)學模型或基本方程以及邊界值條件，以組成適當?shù)亩ń鈫栴}，然后通過解析法或數(shù)值法求解。⑵有效導熱系數(shù)法：由于多孔介質(zhì)中的傳熱過程往往包含多種的熱傳導模式，想要對各種模式逐一具體分析的難度較大，因此，工程上只考慮主要的傳導模式而忽略次要模式，對傳熱模式進行分析與計算，但計算結(jié)果往往和實際情況偏差很大，所以人們將其它的傳導模式的影響轉(zhuǎn)變成有效導熱系數(shù)來糾正偏差。現(xiàn)在常用有效導熱系數(shù)法來確定多孔介質(zhì)的傳熱過程，把輻射換熱的導熱分析轉(zhuǎn)換為有效導熱系數(shù)，擬合結(jié)果證明此類方法已經(jīng)獲得了較大的成功。⑶經(jīng)驗或半經(jīng)驗法：這種方法多用于多孔介質(zhì)中的對流換熱過程的分析與計算。

4.1 物理模型和數(shù)學模擬

計算隔熱材料導熱過程的物理模型，是指對要求解的物理問題提出合理的假設(shè)，使問題簡化以便進行數(shù)學描述和求解。根據(jù)具體的實際導熱問題及條件采用不同的物理模型，再根據(jù)模型對其可能包含的導熱過程進行分析和計算。根據(jù)動量、能量、質(zhì)量守恒以及邊界條件，最終求解得到材料的導熱系數(shù)，因?qū)嶒灲Y(jié)果和理論數(shù)值有較大偏差，因此理論數(shù)值需要通過實驗檢驗，引入修正因子對物理模型中的表達式進行修正，使理論結(jié)果與實際結(jié)果吻合。同時采用物理模型計算法及實驗表征法對隔熱材料的隔熱性能進行分析討論，理論分析可以解釋材料的導熱過程和導熱機理，而實驗結(jié)果對檢驗理論的正確性進行檢驗。如Baillis等[13]就同時通過理論計算和實驗表征對材料中的輻射導熱機理與過程進行了分析計算，并通過實驗修正了輻射導熱系數(shù)在分散介質(zhì)中的數(shù)值。

數(shù)值模擬技術(shù)是隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展而發(fā)展起來的一種分析材料導熱過程的方法，也稱為計算機模擬，它通過電子計算機以數(shù)值計算和圖像顯示的方法，達到對工程問題和物理問題乃至自然界各類問題進行研究的目的。在計算機上實現(xiàn)一個特定的計算，分析人員能夠跳出數(shù)學方程的圈子來對待物理現(xiàn)象的發(fā)生，就像做一次物理實驗。數(shù)學模擬廣泛地應(yīng)用在物理、生物、化學等科學研究中，是一種非常有用的理論分析方法，其本質(zhì)上和物理模型法是一樣的，只不過后者是直接對某些物理現(xiàn)象進行建模，通過計算機來幫助計算和分析，得到理論的結(jié)果。數(shù)值模擬法被廣泛應(yīng)用于多孔陶瓷導熱系數(shù)的計算中，如鄭慶雄等[14]通過數(shù)學模擬的方法，近似計算了多孔陶瓷導熱系數(shù)，實驗結(jié)果和測試結(jié)果基本一致。

有限元法(Finite Element Method)近年來在多孔材料導熱研究中被頻繁應(yīng)用，這種方法是把一個物體或系統(tǒng)分解為由多個相互聯(lián)結(jié)而又各自獨立的點，然后將其組成的幾何模型，然后進行計算，這些獨立點的數(shù)量有限，因此被稱為有限元。由物理模型推導出每個點的平衡方程式，進而產(chǎn)生方程組，用線性代數(shù)的方法來求解得到結(jié)果。1995年荷蘭科學家Bakker[15]通過有限元法計算了材料的孔隙及雜質(zhì)對材料的導熱率的影響。之后袁義云等[16]通過有限元法計算多孔陶瓷的熱學性能，實驗結(jié)果與理論計算相吻合, 有力證明了有限元計算結(jié)果的正確性。

4.2 有效導熱系數(shù)法

模型法通常要求嚴格的數(shù)學與物理模型的設(shè)定與求解方法，對于結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜的多孔介質(zhì)通常很難求解得到精確的結(jié)果。有效導熱系數(shù)法卻有其獨特的優(yōu)勢，它是在多孔介質(zhì)的傳熱機理進行分析的基礎(chǔ)上，以宏觀方法加以歸納，將多孔介質(zhì)的傳熱問題轉(zhuǎn)換成與一般固體材料相關(guān)的導熱問題，它是一種把理論與實際結(jié)合的方法[17,18]。有效導熱系數(shù)法是用一般固體的導熱微分方程描述實際的問題，但是其到熱系數(shù)折算為有效導熱系數(shù)Ke，通常可表示為

下角標s，L，g，cv，fm，rd分別表示固相、液相、氣相、以及對流、流體質(zhì)量的遷移及輻射所折算的導熱系數(shù)。已有的實際結(jié)果分析可知，在孔徑當量小于8 mm時，多孔介質(zhì)內(nèi)的熱傳導主要是前三項決定的，后三項對導熱的貢獻接近零[3]。想要獲得低的導熱系數(shù)，一般要盡量減少液相的存在，在忽略液體存在的條件下導熱系數(shù)只剩下KS和Kg兩項，這樣對導熱問題的研究就簡易了很多。

在具體的研究工作中，不同結(jié)構(gòu)和不同材料的多孔介質(zhì)往往會采用不同模型進行分析，但是這些模型的選取都要滿足兩個最基本的條件：理論分析結(jié)果要盡量與實際導熱過程一致；在滿足獲得較為準確的結(jié)果的前提下盡量簡化模型進行計算。許多的科學家根據(jù)其研究對象的不同提出了很多模型。最簡單的一種模型就是串并聯(lián)模型，該模型把研究導電的方法應(yīng)用到研究導熱的過程中來，以導熱系數(shù)的倒數(shù)來表征材料對熱量的阻礙作用稱為熱阻，把導熱過程分為了串聯(lián)與并聯(lián)的兩種模式[19]。

串并聯(lián)模式非常簡單易懂，但是實際情況下符合的很少，因為這種簡單的模型往往忽略了在實際情況中次要的、但又不能完全抹殺的影響因素，比如固相中存在的接觸熱阻，氣相聯(lián)通時的氣體對流，高溫下熱輻射等等。很多學者在此基礎(chǔ)上對其進行了修正和改進，但串并聯(lián)模式作為一種導熱模型，對于我們理解導熱過程仍是非常有幫助的。對于我們所要研究的多孔閉孔陶瓷隔熱材料而言，陶瓷孔可以看作是球形氣泡在陶瓷基體里，這種結(jié)構(gòu)是各項同性的，沒有上述的方向上的區(qū)別，可以把其中的一種作為其導熱過程的基礎(chǔ)認識。

美國學者Mandelbrot于1975年提出了分形理論后，人們又通過分形理論進一步論證了在一定的條件下，大塊多孔材料的導熱模型可以轉(zhuǎn)換成熱阻網(wǎng)格，其計算結(jié)果在滿足體孔隙率等于面孔隙率的條件下，有效導熱系數(shù)的表達式與測試結(jié)果完全相同，這也進一步論證了串并聯(lián)模型的適用性。李守巨等采用有限元方法模擬了多孔材料的導熱系數(shù)與孔隙率和分形維數(shù)之間的非線性關(guān)系，結(jié)果表明多孔材料串并聯(lián)模型的等效導熱系數(shù)隨著孔隙的增加而線性減小。在孔隙率為常數(shù)的條件下，串并聯(lián)模型的等效導熱系數(shù)隨著模型比例因子增大而呈指數(shù)上升，隨著孔隙分形維數(shù)的增加而減小，隨著固體顆粒分形維數(shù)的增加而增大[20]。有非常多的學者對多孔介質(zhì)的導熱研究都是基于該種簡單的方法之上的，如J.Z. Liang等[21]以串并聯(lián)熱阻模型為基礎(chǔ)，分析了無機中空球中充滿聚合物的復(fù)合材料的導熱過程，獲得的有效導熱系數(shù)和通過有限元法數(shù)值仿真法獲得的導熱系數(shù)非常的相似。

5 展望

多孔陶瓷具有優(yōu)異的隔熱性能，較高的溫度承受能力，因此用作隔熱材料有良好的發(fā)展前景。研究學者們已經(jīng)在這一領(lǐng)域投注了大量研究，也取得了很多的研究成果，部分的成果已經(jīng)較為成熟，在生產(chǎn)實踐中已經(jīng)在逐步投入使用。但目前對材料的各種導熱過程的機理、控制條件并沒有完全掌握，對多孔陶瓷隔熱性能的控制因素也還不能夠徹底掌控，因此制約了多孔陶瓷更廣泛的應(yīng)用。未來我們應(yīng)該更進一步探索多孔材料的導熱機理，將多孔材料的制備工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化才是多孔陶瓷的發(fā)展方向。

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The Research Progress of Porous Heat-Resistant Ceramic

YANG Chunyan, LU Miao, LIU Peisheng
(Key Laboratory of Beam Technology and Material Modifcation of Ministry of Education, College of Nuclear Science and Technology, Beijing Normal University, Beijing 100875, China)

Porous ceramic materials achieve heat insulation by the low thermal conductivity of gases in the closed pores within the ceramic matrix and the ceramic materials’ own low thermal conductivity. They have been widely used in many felds, such as construction, aerospace, and warehousing, machinery. This paper introduced the manufacture methods, insulation mechanism, research situation and the methods of studying the conductive process of porous insulating ceramics.

porous ceramics; effectively thermal conductivity coeffcient; heat insulation

TQ174.75

A

1000-2278(2014)02-0132-07

2014-02-03

2014-02-12

北京市凝聚態(tài)物理重點學科共建項目(編號：XK100270454)；北師大測試基金(編號：C13)。

盧 淼(1980-)，男，博士研究生。

Received date: 2014-02-03 Revised date:2014-02-12

Correspondent author:LU Miao (1980-), male, Ph. D. Candidate.

E-mail:1781774022@qq.com