遮光剂对SiO2气凝胶热辐射特性影响的理论研究

苏高辉，杨自春，孙丰瑞

(1.海军工程大学舰船高温结构复合材料研究室，湖北武汉430033;2.海军工程大学动力工程学院，湖北 武汉430033)

SiO2气凝胶是一种低密度、高孔隙率、低导热系数的纳米多孔材料，它具有开放性的孔隙和空间连续的网络结构，作为一种轻质高效绝热材料在航空航天、能源建筑等诸多领域具有广阔应用前景［1-2］。但是，SiO2气凝胶对于3～8 μm波长范围内的热辐射几乎是透明的，导致其绝热性能在中高温情况下迅速下降［3］。可通过添加遮光剂削弱辐射传热的方法，提高其在中高温情况下的绝热性能［4-6］。在气凝胶中添加遮光剂会影响其热辐射特性。定量研究这些影响，对于理解复合气凝胶内传热机理，并对其进行性能优化具有重要的理论和应用价值。Kuhn［4］、封金鹏［5］、Wang［6］分别通过实验测试了添加不同种类和含量遮光剂的SiO2气凝胶的比消光系数。Zeng等［7］通过理论研究了炭黑遮光剂含量对SiO2气凝胶导热系数的影响，在计算炭黑粒子消光因子时，采用了Rayleigh散射理论。但是，Rayleigh散射适用于粒子尺度远小于1的情况，应用范围较为有限［8］。Wang等［9］利用 Mie散射理论计算了遮光气凝胶的热辐射特性。但是，经典Mie理论为粒子在非吸收性基质中对电磁波散射的精确解［8］，气凝胶的吸收系数在2～50 μm的波长范围内变化很大，应被视为吸收性基质。忽略基质的吸收，直接采用Mie散射理论来定量计算气凝胶基质中粒子的消光作用，其误差有待进一步讨论。本文将气凝胶作为吸收性基质，分别采用经典的Mie散射理论和考虑基质吸收的Modified Mie散射理论研究了气凝胶中粒子的热辐射特性，讨论了遮光剂参数对气凝胶热辐射特性的影响。……