蛭石隔热材料隔热性能的实验与数值模拟研究

摘要

利用蛭石的隔热性能，将其应用于隔热材料中，可以提高材料的热防护性能。热防护实验即TPP实验是目前国际上通用的评价织物热防护性能的实验方法。目前，开发新型防护材料主要依靠大量的热防护性能测试，依据材料的防护性能值作为评价材料隔热性能好坏的标准，但这也加大了开发新材料的成本。本文采用L-S相转化法，制备出含有蛭石的隔热新材料，并对其进行了热防护测试。建立了一维织物传热模型，在此基础上利用ANSYS软件对热防护材料的隔热性能进行数值模拟，并利用模型对材料不同因素的影响规律进行了预测。
　　 首先，采用L-S相转化法，以水/DMAC（比例为1：1）为凝固浴，通过铸膜液的配制、涂膜、置换、烘干等步骤，制备出不同蛭石含量的隔热材料。并对其有关隔热性能参数如比热容，导热系数等进行测量，结果表明蛭石的加入可以提高隔热材料的隔热性能，但是其加入量存在一个限度。当蛭石含量较低的时候，随着蛭石的加入，其热物性如比热容，随着蛭石含量的增加而提高；导热系数随着蛭石含量的增加而降低。但是当蛭石含量增加到一定限度时，大约为10％，随着蛭石的增加，其热性能的变化规律变的不明显。
　　 第二，利用热防护实验对材料进行了测试。结果表明蛭石的含量对材料的热防护性能也有一定的影响。其含量也存在一个限度，为10％左右。当蛭石含量较低的时候，随着含量的增加材料的二度烧伤时间也增加，但是当含量超过一定的限度后，材料的二度烧伤时间反而下降。
　　 第三，建立了蛭石隔热材料的一维传热模型。利用有限元软件ANSYS对热防护实验进行了数值模拟，并用含有原蛭石的复合材料对模型进行了验证。结果表明模拟结果与实验结果接近，其误差在5％之内。
　　 第四，利用本文建立的隔热模型，分别分析了涂层的厚度，插层蛭石的种类，蛭石的含量、基体的种类，以及涂层的方式等因素对材料隔热性能的影响规律。可以得出，随着厚度的增加材料的二度烧伤时间也不断的增加，厚度与材料的隔热性能具有正相关性；单面涂膜与双面涂膜对材料的热防护性能没有影响。另外，在对三种插层蛭石进行分析可以看出，蛭石种类对材料的二度烧伤时间有影响，其中以含有C16TA+的材料其二度烧伤时间最长，而其余两种材料的二度烧伤时间相差不大；基布的种类对材料的热防护性能也有影响。选择隔热性能比较好的基布能明显地提高复合材料的热防护性能。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 蛭石简介

1.2 介观尺度片状插层蛭石的制备

1.3 蛭石作为隔热材料在国内外的研究历史

1.4 传热数学模型的研究

1.5 本课题的意义及研究内容

第二章 隔热材料的传热学基础理论

2.1 热量传递的三种基本方式

2.2 传热学经典理论

2.3 直角坐标系下的导热微分方程

2.4 本章小结

第三章 蛭石隔热材料的制备及其有关性能研究

3.1 实验用主要仪器设备

3.2 聚醚砜(PES)简介

3.3 隔热材料的制备

3.4 隔热材料的性能测试

3.5 本章小结

第四章 蛭石隔热材料隔执性能的数值模拟与研究

4.1 ANSYS热分析概述

4.2 热防护实验

4.3 蛭石隔热材料热防护实验的数值模拟

4.4 实验结果与数值模拟对比

4.5 本章小结

第五章 蛭石隔热材料隔热模型的应用

5.1 涂膜的厚度对蛭石材料隔热性能的影响

5.2 两面涂膜与单面涂膜对隔热性能的影响

5.3 蛭石含量对材料隔执性能的影响

5.4 插层蛭石的种类对材料隔热性能的影响

5.5 不同基布对材料隔热性能的影响

5.6 本章小结

第六章 结论

参考文献

附录

攻读学位期间发表论文

致谢