ZrO?气凝胶中的温度依赖性传热调节：微结构优化与SiC不透明化处理

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Temperature-dependent heat transfer regulation in ZrO 2 aerogels: microstructure optimization and SiC opacification

　　```

摘要

高温隔热需要同时抑制固体、气体和辐射传热，而在高温下辐射传热变得越来越重要。ZrO₂气凝胶具有良好的热稳定性和低热导率，但其高温性能受到增强辐射传输的限制。本文通过结合内在微结构优化和SiC遮光剂辅助的辐射抑制技术，研究了400至1600?K范围内ZrO₂气凝胶的温度依赖性热传递调控机制。一个多尺度数值框架整合了用于微结构重建的扩散限制聚集模型、气凝胶骨架的光谱辐射特性的离散偶极近似、非球形SiC遮光剂的T矩阵计算以及总有效热导率的耦合传导-辐射模型。骨架粒径、孔隙率和颗粒接触面积比共同决定了未掺杂ZrO₂气凝胶的导热性。通常情况下，较小的颗粒和较大的颗粒接触面积比更有利；然而，在1200–1600?K时，最佳孔隙率从400?K时的95%下降到80%，因为固体传导的减少与辐射衰减的减弱相竞争。对于95%孔隙率的复合气凝胶，温度匹配的SiC设计分别在400、800、1200和1600?K时将优化后的总有效热导率降低了7.8％、56.1％、72.9％和81.0％。这些结果确定了高温热系统中氧化锆气凝胶隔热材料的具体微结构和遮光剂设计规则。

引言

航空航天器、工业炉、高温热设备和热能存储系统都需要在极端热条件下实现有效的热损失控制[1] [2] [3] [4]。在这些应用中，隔热材料必须同时具备低热导率、结构稳定性和可靠的服务性能[5] [6]。因此，它们的性能直接影响热效率、操作安全性和使用寿命[7] [8]。随着工作温度的升高，主导的热传递方式可能会从固体和气体传导转向辐射传导，这对材料组成和微结构设计提出了更严格的要求[9] [10]。

在高温隔热气凝胶中，ZrO₂气凝胶因其高熔点、相对较低的热导率以及在氧化高温环境中的化学稳定性而受到关注[11] [12] [13]。聚合物气凝胶的热阻通常有限，碳基气凝胶容易氧化，而硅胶气凝胶虽然在室温附近有效，但在高温下往往会发生骨架烧结和孔隙结构退化[12]。最近的研究表明，通过成分和结构优化，ZrO₂气凝胶可以同时具备低热导率和热稳定性。Yoon等人[14]报道了用氧化钇稳定的ZrO₂气凝胶，在25至1000?°C范围内的热导率为0.168–0.212?W·m^?1·K^?1；Zhu等人[15]获得了在1000?°C热处理后具有9.67?mW·m^?1·K^?1室温热导率和稳定介孔结构的ZrO₂气凝胶；Xin等人[16]进一步表明，ZrO₂纳米纤维气凝胶在1300?°C处理后仍保持结构完整性，并显示出0.0297?W·m^?1·K^?1的热导率。除了单组分ZrO₂气凝胶外，Feng等人最近开发了掺杂氧化锆纳米纤维的硅胶气凝胶复合材料，这种复合材料结合了高温下的结构稳定性和低热导率[17]。这些发现证实了ZrO₂气凝胶在高温隔热应用中的潜力，并指出了需要更深入理解其多孔结构中的耦合热传递机制。

然而，在高温下，辐射传热变得越来越重要，仅依靠内在结构优化不足以持续降低ZrO₂气凝胶的有效热导率[13] [18]。因此，最近的数值研究越来越关注光学厚度较大的气凝胶中的辐射传输。Xu等人研究了Rosseland扩散模型的适用范围，并表明其准确性取决于气凝胶介质的光学厚度和辐射特性[19]。因此，添加遮光剂是一种有效的抑制辐射传输的方法。据悉，TiO₂和碳基遮光剂可以提高气凝胶的隔热性能[20] [21]。与这些添加剂相比，SiC具有高温稳定性和强红外吸收能力，特别适合在高温下的辐射屏蔽[22]。Huang等人[23]表明，在1050?K时，未掺杂硅胶气凝胶的总有效热导率约为0.18?W·m^?1·K^?1，而添加1.0% SiC后降至约0.045?W·m^?1·K^?1，添加3.0%–7.0% SiC后降至0.028–0.035?W·m^?1·K^?1

以往的研究主要分别关注ZrO₂气凝胶的微结构和遮光剂设计，对其在传导和辐射传热中的耦合效应了解不足。为了解决这一问题，本研究将ZrO₂颗粒网络的DLCA重建、其光谱辐射特性的DDA计算以及非球形SiC遮光剂的T矩阵分析整合到了一个温度依赖的传导-辐射框架中。该方法论的贡献在于在同一热导率分析中链接了气凝胶的内在微结构和遮光剂的光谱响应。该框架用于阐明孔隙率、骨架颗粒直径、颗粒接触面积比以及SiC颗粒的几何形状、尺寸和掺量对400至1600?K范围内ZrO₂气凝胶的影响和相互作用。

章节片段

气凝胶微结构的重建

如图1所示，ZrO₂气凝胶的微结构是使用扩散限制聚集（DLCA）方法重建的，该方法广泛用于表示气凝胶的分形形态[27] [28] [29] [30]。初级颗粒在立方计算域中随机分布并允许进行布朗运动。当两个颗粒或簇之间的分离满足预设的粘附标准时，它们会合并成一个新簇。

方法验证

通过将DDA预测的辐射特性与文献中的硅胶气凝胶数据比较来验证计算方法。考虑了一种孔隙率为95%、颗粒直径为7?nm、密度为110?kg/m³的硅胶气凝胶，在2.5–20?μm的波长范围内进行测试。如图4所示，计算出的特定消光系数与报告的值[43] [44] [45] [46]吻合良好。选择硅胶气凝胶进行验证是因为其辐射特性已有详细记录。

结论

本研究通过结合内在微结构优化和SiC遮光技术，研究了ZrO₂气凝胶的温度依赖性热传递调控机制。建立了一个多尺度传导-辐射框架，以明确400至1600?K范围内微结构参数、遮光剂光谱特性和总有效热导率之间的关系。主要结论如下：

• 重建的ZrO₂气凝胶微结构捕捉到了多孔骨架的特征

CRediT作者贡献声明

Huilin Yang：撰写——原始草案、可视化、软件、方法论、研究、正式分析、数据管理。Yike Niu：方法论、研究、正式分析、数据管理。Guihua Tang：监督、研究。Mingyang Yang：软件、方法论、数据管理。Mu Du：撰写——审稿与编辑、监督、软件、资源管理、方法论、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能导致本文工作受到影响的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（项目编号：52130604）、广东省基础与应用基础研究基金（项目编号：2023A1515110613和2024A1515011379）以及山东省自然科学基金（项目编号：ZR2025MS940）的支持。本工作中的科学计算是在山东大学的高性能计算云平台上完成的。

```Huilin Yang | Yike Niu | Guihua Tang | Mingyang Yang | Mu Du