多层高温隔热结构的传热特性_李东辉_图文(精)
收稿日期 :2010-09-20
作者简介 :李东辉 , 1971年出生 , 博士研究生 , 研究方向为高温热防护材料辐射特性及耦合传热等。 E -m a i :l l dh0086451@yahoo . co m. cn
计算材料学
多层高温隔热结构的传热特性
李东辉 夏新林 艾 青
(哈尔滨工业大学能源科学与工程学院 , 哈尔滨 150001
文 摘 建立了高温多层隔热结构传热计算模型 , 采用蒙特卡罗方法模拟每个半透明隔热材料层内的一 维辐射传递 , 采用有限体积法对多层隔热结构辐射导热耦合换热能量方程进行求解 , 对多层隔热结构的瞬态传 热及热响应进行了数值模拟分析 , 研究了反射屏个数等因素的影响 。 结果表明 , 反射屏对多层结构隔热性能的
影响取决于隔热材料的辐射特性与导热性能 , 当隔热材料衰减系数小时 , 将屏布置于高温区可提高隔热性能 , 当衰减系数大时 , 反射屏布置在低温区进行蓄热则更加有利 。
关键词 多层隔热结构 , 热辐射 , 导热 , 耦合传热
H eat T ransfer Characteristics ofH i gh Te mperatureMultilayerTher mal I nsulati
ons
L i Donghu i X ia X inlin A iQ ing
(Schoo l of Energy Sc ience and Eng i neer i ng , H a rbin Insti tute o f T echno l
ogy , H arbi n 150001
Abst ract H i g h te m perature mu ltilayer ther m a l i n sulations have w i d e app
licati o n i n ther m al protection techno lo -gies for hyperson ic veh icles . Co m putati o
na lmode l of t h e heat transfer i n the m aterials w as estab li s hed by theM C M for t h e
one di m ensional rad i a ti v e transfer in each se m itransparent i n su lation layer and by
the FVM for the heat transfer of co m b i n ed radiation and conduction in t h e m u
ltilayer m ater i a ls . The transient heat transfer and ther m al response o f the m ultilayer
i n su l a ti o ns w ere num erically si m u lated and analyzed . Influenc i n g factors inc l
u d i n g screen numbers , screens layout , e m ittance etc w ere analyzed . Results ob
tained sho w that bo th rad iati o n and conducti o n properties o f the insula -ti o n m
aterial i n fluence t h e insulti n g perfor m ance of the mu ltilayer structure . Densely
distributed fo ils in h i g h te m pera -ture zone can i m prove transient i n sulati n g perfor
m ance w hen extincti o n coefficient of the insulation m aterial is relati v e -l y s m a l. l
Other w ise fo ils i n lo w te m perature zone are preferred for i n sulati o ns w ith large
exti n ction coeffic ient to i n -crease heat sto rage capability o f the m u ltilayer str
ucture .
K ey w ords M u ltilayer ther m a l insulati o ns , Ther m al rad iation , H eat
conduction , Coupled heat transfer 0 引言
隔热材料的多孔性通常使得其对热辐射具有半透 明性 , 除利用粒子散射遮蔽热辐射传输外 , 还可将多个 高反射率反射屏布置于辐射半透明的隔热材料内 , 以
形成多层隔热结构 , 如图 1所示 [1]
。轻质、 高温多层隔 热结构是高超声速飞行器热防护的关键材料技术之 一 [2]
, 如在美国的 DAPP A Fa lcon 高超声速项目中 , 能 够重复使用 50次以上的高温多层隔热结构被列为验 证飞行器 HTV -2、 HTV-3的热防护关键技术。
50多年来 , 对低温多层隔热结构传热特性 进行
了大量研究。与低温多 层隔热结构不 同 [3]
, 高温 多 层隔热结构的反射屏之间采用轻质隔热材料作间隔
物。
图 1 多层隔热结构示意图 [1]
F ig . 1 Schem ati c d i agra m o fm ultilayer ther m al i nsu l a tions
近年来 , 一些学者和机构针对热防护技术中的高
温多层隔热结构传热特性开展了研究。如 S i e gel
[4]
:/. l . m 2011期
采用二流法分析了半透明和不透明层构成的复合平 板瞬态传热。 Ka m ran [5]采用二 流法与有限体积 法 数值模拟了高温多层各向同性散射纤维隔热材料的 辐射
-导热耦合传热。 M ar kus [1, 3]采用比例近似方法 对多层隔热结构表观热导率进行
了试验与理论研究 , 重点研究了反射屏对降低表观当量 热导率的作用。 闫长海 [6]基于表观当量热导率实验数 据 , 采用二 流 法和遗传算法对纤维隔热材料的辐射衰减系数和反 射屏发射率进行了反演。西北工业大学等也开展了 多层纤维隔热材料内传热特性的数值模拟研究 [7-8]。 本文以多层隔热结构为对象 , 采用蒙特卡罗法结 合有限体积法建立其内部辐射导热耦合传热模型 , 通 过编制计算程序 , 数值模拟反射屏几何布局、 辐射特 性、 热物性及发射率等因素对隔热性能的影响 , 分析 多层隔热结构瞬态传热特性。
1 多层隔热结构传热计算模型
如图 1所示 , 每层隔热材料中的热量传递方式包 括导热和热辐射 , 热辐射能投射到金属反射屏表面 , 一部分将会被反射回去 , 其余的转变为热能进入金属 屏内部 ,
通过金属屏的导热传递至金属屏另一侧。对 其中的任何一层 , 其控制方程都可统一表示为 :
L L t =
x
L T +S L , L [1, N ](1
式中 , L 、 c L 、 L 分别为第 L 层的密度、 比 热容、 热导 率 , S L 为第 L 层的辐射换热源项 , t 为时间变量。对隔 热材料层 , 该层源项根据辐射传热计算获得 ,
对金属 屏 , 源项等于 0。
对隔热材料高温面 , 考虑第一类边界条件 , 低温 面考虑绝热条件 :
T (x,t
x=0
=0, t >0(2 T (x,t x=H=T w , t >0(3 式中 , T w 为多层结构高温面温度 , H 为多层结构总厚 度。初始温度均匀 :
T (x, 0 =T 0, x [0, H ](4 金属屏表面是不透明界面 , 按漫反射界面处理 , 层间 界面满足如下连续条件 :
T x=x
s -0
=
x =x s 0
(5
-
m
T
x =x s
=- s
eq
x=x s
+q r (6
式中 , x s 为界面坐标 , m 为金属屏热导率 , s eq 为隔热材
料热导率 , q r 为界面处 沿 x 方向的辐射热流密 度。
2 数值计算方法与验证
多层隔热结构中 , 不同层材料的热物理性参数随
温度变化 , 隔热材料内存在非均匀辐射源项 , 金属层
内没有辐射源项。采用内节点法依次在每层内生成
网格 , 然后组合成一个整体网格系统。对每层隔热材
料 , 采用 MC M 方法求解辐射传递因子
, 多层隔 热结
构内温度场采用全 场整体求解方法 , 采 用 TD MA 算 法求解离散代数方程组。采用文献 [3]中的算例进 行多层隔热结构瞬态耦合传热数值方法与计算程序 的验证。验证算例中的多层隔热结构如图 2所示 , 内 部具有 5个反射屏 , 加热面为时变温度边界条件。 本文的计算结果及与文献 [3]的对比见图 3。可
以看出两者符合很好 , 说明本文的多层隔热结构瞬态 耦合传热数值方法与计算程序的可靠性。
图 2 算例验证中的 M T I 示意 图
F ig . 2 Sche m atic d i agra m o fM T I i n case st udy
图 3 多层绝热材料传热结果验证
F ig . 3 V erificati on on hea t transfe r resu lts for M T I
3 多层隔热结构瞬态热特性的模拟分析
相关参数如下 :多层结构总厚度 20mm 、 初始温度 303K 、 过 程开始后高温面温度为 1273K, 隔热 材料密度 220kg /m3、 比热 容 1050J/(kg K 、 热导率 20-40m
W / (m K, 衰 减系数 29100/m、 散射反照率 0. 96、 各向同性 散射 ; 金属反射屏密
高温熔盐储热器的传热特性研究
高温熔盐储热器的传热特性研究
近年来，随着能源需求的不断增长以及环境气候的变化，研究高效、可再生能源的储能技术变得尤为重要。高温熔盐储热器作为一种潜在的储能技术，其传热特性的研究对其性能优化和应用推广具有重要意义。
一、背景介绍
高温熔盐储热器是一种利用熔盐作为储热介质的设备。熔盐具有较高的比热容和热导率，能够实现热能的高效储存和传递。因此，高温熔盐储热器被广泛应用于太阳能热发电、核能储热等领域。
二、传热机理
高温熔盐储热器的传热机理主要包括传导、辐射和对流三种方式。其中，传导是熔盐内部传热的基本方式，辐射和对流则主要发生在熔盐与容器壁之间。
传导传热是高温熔盐储热器中的核心传热方式。熔盐在储热器中通过对流和外部热源的加热，导致温度梯度的产生。然后，热量将沿温度梯度方向从高温区传递到低温区。传热过程中，熔盐的热导率和导热系数是非常重要的参数，会直接影响传热的效率和速率。
辐射和对流传热则主要发生在熔盐与容器壁之间。辐射传热是指熔盐和容器壁之间通过电磁波辐射传递热量的过程。对流传热则是指熔盐在流动过程中与容器壁产生的对流换热。辐射和对流传热作用不可忽视，需要通过相应的传热界面设计和传热增强手段来优化传热效果。
三、传热特性研究方法
为了研究高温熔盐储热器的传热特性，科学家和工程师采用了多种实验和数值模拟方法。 实验方法一般包括传热系数测量、温度场测试和能量平衡分析等。通过在实际的储热器装置中设置传感器，可以测量熔盐的温度分布和传热系数。同时，通过对能量平衡进行分析，可以评估传热的效率和损失。
数值模拟方法则是利用计算机建立热传导和流体力学模型，通过求解相应的方程组来模拟传热过程。根据储热器的几何形状和边界条件，可以获取熔盐的温度和流速分布等信息。数值模拟方法能够更深入地了解传热特性，优化储热器的设计和运行参数。
四、传热特性优化与应用
通过研究高温熔盐储热器的传热特性，可以优化其设计和运行参数，提高能量转换效率和储能密度。
双层定型相变墙体在合肥地区传热特性的数值模拟
第32卷第1期
2024年2月Vol.32No.1
Feb.2024安徽建筑大学学报JournalofAnhuiJianzhuUniversity
DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20240104
双层定型相变墙体在合肥地区传热特性的数值模拟
江昔平，郝宁宁
（安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南232001）
摘要：为探究双层相变墙体所使用的相变材料在不同季节下的相变表现，以合肥地区夏、冬两季室外温度数据为背景，基于Fluent焓－孔隙率法，对普通墙体和双层相变墙体的传热过程进行仿真计算。结果表明，在夏季工况下，外相变板的相变温度为36℃的相变墙体综合表现更好，墙体内表面热流密度与普通墙体相比降低了20.53%，平均延迟时间约为普通墙体的1.8倍。在冬季工况下，内相变板的相变温度为14℃的相变墙体内表面温度波幅较平缓，墙体内表面热流密度与普通墙体相比降低了16.25%，它的衰减倍数约为普通墙体的1.2倍。在合肥地区，使用相变温度为36℃的外相变层和相变温度为14℃的内相变层的墙体在制冷、采暖期单位面积可降低热/冷负荷分别为1.86W、3.75W，该种墙体具有很好的节能效果和经济效益。关键词：双层相变墙体；焓-孔隙率法；相变温度；Fluent中图分类号：TU111.4文献标志码：A文章编号：1672-2337（2024）01-027-09
NumericalSimulationofHeatTransferCharacteristicsofDouble-layerShaped
PhaseChangeWallinHefei
JIANGXiping，HAONingning
（SchoolofCivilEngineeringandArchitecture，AnhuiUniversityofScienceandTechnology，Huainan232001，China）
Abstract：Inordertoexploretheperformanceofphasechangematerialsusedindouble-layerphasechangewallindifferentseasons,basedontheoutdoortemperaturedataofHefeiinsummerandwinter,theheattransferprocessesoftheordinarywallanddouble-layerphasechangewallweresimulatedwithFluententhalpy-porositymethod.Theresultsshowedthatinsummer,thephasechangewallwiththeexternalphasechangeplateat36℃paredtotheordinarywall,theheatfluxontheinternalsurfaceofthewallwasreducedby20.53%andtheaveragedelaytimewasabout1.8times.Inwinter,thetemperaturefluctuationoftheinternalsurfaceofthephasechangewallwiththeinternalphasechangeplateat14℃paredtotheordinarywall,theheatfluxoftheinternalsurfaceofthewallwasreducedby16.25%anditsattenuationmultiplewasabout1.2times.InHefei,thewallusingtheexternalphasechangelayerwithaphasechangetemperatureof36℃andtheinternalphasechangelayerwithaphasechangetemperatureof14℃canreducetheheat/coolingloadof1.86Wand3.75Wperunitarea,respectively,inthecooling/heatingperiods,whichisenergy-savingandeconomic.Keywords：double-layerphasechangewall；enthalpy-porositymethod；phasechangetemperature；Fluent
纳米陶瓷隔热膜的隔热原理
纳米陶瓷隔热膜的隔热原理
纳米陶瓷隔热膜的隔热原理主要有以下几点：
1. 多层氧化物薄膜结构：纳米陶瓷隔热膜通常由多层氧化物薄膜组成，每一层薄膜的厚度通常在几纳米到几十纳米之间。这些氧化物薄膜通常具有较高的折射率和较低的导热性，能够有效地抑制热量传导。
2. 光学反射和散射：纳米陶瓷隔热膜的多层结构可以实现对不同波长的光的反射和散射。其中一些薄膜层具有抗反射功能，能够减少光的反射，提高光的吸收效率；同时还有一些薄膜层具有强烈的散射性能，能够将光线进行多次反射，增加热量传播路径长度，从而降低传热。
3. 纳米孔隙结构：纳米陶瓷隔热膜的薄膜层内部通常具有微小的孔隙结构。这些纳米孔隙能够阻碍气体和热量的传导，形成热量的隔离层。同时，纳米孔隙还可以增加薄膜的表面积，提高薄膜对光的吸收能力。
综上所述，纳米陶瓷隔热膜通过多层结构、光学反射和散射以及纳米孔隙结构等方式，实现了对热量的隔离和抑制热传导，从而达到有效降低热量传递的效果。
基于传热学原理的高温作业专用服设计
基于传热学原理的高温作业专用服设计
我国在经济高速发展，国际地位快速提高的过程中，始终秉承“以人为本”的理念，因此，从事诸如消防及金属冶炼等高温作业的工作人员的人身安全越来越引发社会各界的关注与重视。其中，研发高温作业专用服成为当前公共安全领域研究的重要内容。为了科学合理的设计高温作业专用服，本文基于传热学基本原理，意在模拟高温条件下，人体皮肤外侧温度分布情况从而确定高温作业专用服的不同层的最优厚度，达到在保护工作人员生命安全的前提下，高温作业专用服经济实惠，轻便易携的目标。
标签：传热学;高温;专用服;多层织物层
一.引言
高温工作专用服分别由织物层Ⅰ、织物层Ⅱ、织物层Ⅲ、空气间隙Ⅳ组成。忽略高温工作服以及人体的具体外形，抽象成若干同心圆柱筒，忽略端部边缘效应。根据圆柱体的对称性，则仅需考虑某一过同心圆柱体的横截面的二分之一即可。如图 1所构建的高温作业专用服-空气间隙-假人抽象模型系统，由于结构和所处环境的一致性，则仅考虑一条直线即可代表整个系统。
二.多层织物层的参数化建模及分析
使用典型多层隔热结构，结构长度与宽度保持150mm不变。在ANSYS
Workbench平台Design modeler中进行参数化建模，建模过程中首先建立最下层结构层模型，将结构层厚度设置为设计变量参数。本文选择比例选择方法，选择单点交叉算子作为交叉算子，选用基本位变异算子作为变异算子，变异概率为Pm。
1优化设计软件程序流程
优化设计软件程序流程基于遗传算法的多层吸波材料优化设计软件程序流程。初始参数设置为： 种群大小M为 50～500，运行代数 generation 为100～300，交叉概率为0.2～0.99，变异概率为0.001～0.1。
2多层织物层的优化
优化使用ANSYS Workbench平台的多目标响应面优化模块，优化方法选择MOGA多目标遗传优化算法。MOGA算目前较为流行的非支配排序遗传算法算法的一种变体，是一种基于精英控制概念的遗传算法。MOGA算法支持多个目标和多个约束条件，最终在全局中找到最优解。根据本节优化问题选择MOGA算法。多层隔热结构Ⅱ层厚度作为设计变量，假人皮肤外侧温度及时间作为优化目标，控制条件为确保工作60分钟时，假人皮肤外侧温度不超过47?C，且超过44?C的时间不超过5分钟，根据各织物层及空气层传热规律进行设置。设定初
隔热材料工作原理
隔热材料工作原理
隔热材料是一种可以有效减少热量传递的材料，其工作原理由以下几个方面构成：热传导、辐射热和对流热。
1. 热传导
热传导是材料内部热能通过物质粒子之间的碰撞而传播的过程。在隔热材料中，通过选择导热系数较低的材料，如气体或泡沫，可以有效减少热能的传导。这些材料中的气体或泡沫往往具有密度低、导热系数小的特点，能够减少热量传递的路径，从而达到隔热的效果。
2. 辐射热
辐射热是指物体通过电磁辐射传递热能的过程。热辐射是一种物体因其温度而产生的热电磁波。隔热材料通常使用辐射热屏障来减少热辐射的传递。这些屏障可以反射、吸收或散射大部分的热辐射，减少其向其他物体传递热量的效果。
3. 对流热
对流热是通过流体传递热量的过程。在隔热材料中，通过增加材料表面的不规则结构或采用适当的涂层，可以减少空气流动和对流热的传递。这样可以降低热量的传递速率，提高隔热性能。
综上所述，隔热材料工作原理主要通过减少热传导、控制辐射热和降低对流热的传递来实现。通过选择材料的导热性能、使用辐射热屏障和调控表面结构等方式，可以有效地提高材料的隔热性能。这些原理可以在建筑、汽车、冰箱等各个领域中得到应用，减少热量的损失，提高能源利用效率。
空间用多层绝热组件隔热特性的试验研究
第
39卷
，第
3期
红外13
文章编号：1672-8785(2018)03
-0013
-05
空间用多层绝热组件隔热特性的试验研究
雷营生1,2徐红艳1谢荣建1韩娜丽1,2董德平1
(1.中国科学院上海技术物理研究所，上海200083;
2.中国科学院大学，北京100049)
摘要：多层绝热组件在高真空环境下具有超强的隔热性能
，其优异的隔绝热
辐射和热传导能力对红外光电设备可以起到高效的热保护作用
，因此在航空航
天上有着极其广泛的应用
。主要 了航天用双面镀铝聚酯薄膜多层绝热组件
在高真空环境下的传热性能
，为 应用提供了具体的数据
。
关键词：多层绝热组件
；隔热性能
；恒热流
；恒温差
中图分类号：TB
6 文献标志码：A
DOI
： 1Q
.3969/j
.issn
.1672-8785.2Q
18.03.003
Experimental Study of Heat Insulation Capability of MLI Assembly in Space
LEI
Ying-
sheng1，2，
XUHong-
yan1，
XIERong-
jian1，
HANNa-li ，
DONGDE-
Ping1
(1. Shanghai Imtitute of Technical Physics，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 200083
，China;
2. University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049
，China)
Abstract
： Multi-layer Insulation (MLI) assemblies have excellent thermal insulation performance in high vac
uum environment. Their excellent heat radiation and heat conduction insulation ability can provide an effective
多孔陶瓷材料的高效隔热特性研究
多孔陶瓷材料的高效隔热特性研究
随着能源消耗和环境问题日益严重，人们对于高效隔热材料的需求也越来越高。在许多领域中，如建筑、汽车、航空航天和能源等，高效隔热材料可以显著减少能源消耗和热量损失，从而提高能源利用效率和节约成本。多孔陶瓷材料由于其低导热性和较小的热容量等特点，在这方面具有广阔的应用前景。
多孔陶瓷材料的隔热特性主要取决于其微观结构和材料组分。在研究中，可以通过调整材料的孔隙率、孔隙尺寸和孔隙分布等参数来影响陶瓷材料的隔热性能。通过增加孔隙率，可以显著降低材料的导热系数，从而提高隔热能力。此外，孔隙尺寸和分布的优化也可以进一步改善材料的隔热特性。
多孔陶瓷材料的制备方法对于其隔热特性也具有重要影响。常见的制备方法包括泡沫模板法、聚合物模板法和泡沫玻璃法等。泡沫模板法是一种基于溶胶-凝胶法的制备方法，可通过制备的泡沫模板来控制材料的孔隙结构和形貌。聚合物模板法则是通过使用聚合物颗粒作为模板，通过烧结或化学方法去除聚合物从而得到多孔陶瓷材料。泡沫玻璃法则是通过将玻璃颗粒与发泡剂混合，经高温烧结形成多孔材料。这些方法都具有一定的优势和适用范围，可根据需求选择合适的方法。
在实际应用中，多孔陶瓷材料的隔热性能也会受到其他因素的影响。例如，材料的厚度、密度和热导率等也是影响其隔热性能的重要因素。为了提高多孔陶瓷材料的隔热性能，可以采用复合材料的方法，将多孔陶瓷材料与其他材料结合使用。例如，可以将多孔陶瓷材料与高导热材料组合，通过层层堆叠或涂覆的方式形成复合材料，以优化隔热性能。
随着科学技术的不断进步，越来越多的研究开始关注多孔陶瓷材料的高效隔热特性。目前已经取得了一些有益的成果，但仍面临一些挑战。例如，如何进一步降低材料的导热系数、提高材料的稳定性和耐久性等问题仍需要进一步研究。此外，在实际应用中如何解决材料的制备成本、工艺复杂度和可持续性等问题也是当前研究的重点之一。 总之，多孔陶瓷材料作为一种高效隔热材料，在能源节约和环境保护方面具有重要应用价值。通过调控其微观结构和制备方法，可以有效提高材料的隔热性能。在未来的研究中，需要深入探索多孔陶瓷材料的制备机制和性能优化方法，以推动其在各个领域的应用和发展。
多腔孔陶瓷复合绝热材料
多腔孔陶瓷复合绝热材料
（Multi-Porous Ceramic Composite Insulation Material）是一种新型的绝热材料，在各种高温环境中具有出色的保温性能。它由多层不同材料经特殊工艺制成，具有极高的绝热性和耐高温性，被广泛应用于电力、冶金、化工等领域中。
一、构成与特点
由高温纤维、陶瓷纤维毡和高效绝热层组成。高温纤维为基体，陶瓷纤维毡起到增强作用，提高其抗冲击能力。高效绝热层主要由二氧化硅、硅酸铝等多种陶瓷乳胶粘结而成，使其具有极高的绝热性和低导热率。
该材料具有以下特点：
1. 极低导热率：多腔孔结构能够有效隔绝热量传递和导热，导热率远远低于传统材料。
2. 良好的绝热性能：该材料的绝热性能优异，能够承受高温环境下的极大热量。
3. 轻质化：由于采用了一种多腔孔的结构设计，因此具有轻质化的特点。
4. 耐腐蚀：该材料的主要结构材料均为陶瓷类材料，在酸、碱、盐等腐蚀性环境下也有很好的抗腐蚀性。
二、应用领域
具有广泛的应用领域。首先，在电力行业中，电厂锅炉、核电站和火力发电厂都需要大量的绝热材料，该材料能够有效提高热效率，降低能源消耗，为电力行业的发展做出贡献。
其次，在冶金、化工等领域中也有广泛应用。在冶炼和炼钢过程中，钢铁冶炼炉、高炉等需要保持高温状态，具有很高的绝热要求。而在化工行业中，各类高温反应釜、管道等设备也需要使用该材料。它能有效隔绝高温反应会释放的热量，避免炸裂和其他危险现象。
三、发展趋势
目前处于发展的初期阶段，但是该材料已经显示出了极高的潜力和广泛的应用前景。随着科技的不断进步，该材料的绝热性能将会越来越高，同时制造工艺将会更加成熟，制造成本也将会降低。
结语
是绝热材料中的一种十分优异的材料。它不仅在高温条件下具有非常优良的绝热和保温性能，而且在重要行业中有广泛的应用。我们相信，未来绝热材料行业中，更多的材料将会不断涌现，为人们的生活和工作带来更多的便利和效益。
多层隔热结构研究进展
在火箭贮箱的绝热结构中，ＭＬＩ往往和闭孔泡沫
外隔热层复合使用。当火箭处于发射准备状态和发
射过程中，闭孔泡沫外隔热层起主要的隔热作用，并
防止空气在隔热层中发生抽吸而导致绝热结构的破
坏。火箭进入太空后，在太空的高真空环境下辐射成
为主要传热方式，ＭＬＩ则起到主要的隔热作用。
１ ＭＬＩ的材料选择
ＭＬＩ的概念由Ｐｅｔｅｒｓｏｎ 于１９５１年提出，他们认
为在固体传热和气相介质传热减小到一定程度后，辐
射传热成为主要的传热方式，因此将高反射率的薄膜
材料和导热率很低的间隔材料复合，便可起到较好的
隔热效果。
用于反射屏的材料主要有两类：一类是金属箔，
如铝箔、铜箔、金箔、镍箔、钼箔、不锈钢箔等；另一类
是表面蒸镀金属层的塑料薄膜，如蒸镀有金或铝的聚
脂薄膜或聚酰亚胺薄膜。铝箔和镀铝聚脂薄膜成本
低、生产工艺成熟、表面发射率低，表面的氧化铝薄膜
使其具有良好的稳定性，是应用最多的两种反射屏材
料。从隔热性能来看，铝箔要比镀铝聚脂薄膜好１～
２．５倍，但抗撕强度不及后者，至少要厚２５～１２５ ｍ
才可实际使用，而镀铝聚脂薄膜强度较好。在使用温
度不高的情况下，镀铝聚脂薄膜应用最多，铝箔主要
用于温度较高的场合。
张建可等 通过电子辐照、原子氧作用及紫外
线辐照等试验对几种ＭＬＩ反射屏候选材料的性能进
行了表征，被选材料包括聚酯、聚酰亚胺、毗龙和吡
龙／聚酰亚胺混合薄膜等。在电粒子辐照试验中几种
材料的化学结构稳定，未发生明显变化，其稳定性顺
序为：１００％吡龙＞５Ｏ％吡龙＞２０％吡龙＞聚酰亚胺＞聚
酯。
在原子氧试验中，几种材料的性能均保持稳定，
其抗原子氧性能由强到弱的顺序为：自制聚酰亚胺＞
２０％吡龙＞进口聚酰亚胺＞１００％吡龙＞聚酯。
在紫外光照试验中，当试验温度较低时，几种材
料的性能保持良好，但在５０—８０℃，聚酰亚胺样品部
分损失挥发，但吡龙样品保持良好，说明吡龙样品在
抗紫外线辐射方面具有一定的优势。
基于二氧化硅气凝胶的多层隔热结构设计与隔热效果评价
河南科技
HenanScienceandTechnology机械与动力工程总第808期第14期
2023年7月
基于二氧化硅气凝胶的多层隔热结构设计与
隔热效果评价
王蓉赵梓文唐秀之
（中南大学航空航天技术研究院，湖南长沙410083）
摘要：【目的】多孔隔热材料因其在设计性、功能化和易于组装方面的优势而被广泛应用，但需要
解决其在短期和高效隔热方面存在的重大障碍。【方法】为解决这个问题，以硅气凝胶为主体、石蜡
为相变材料（PCM），构建多层隔热结构（MTIS）。通过优化分层结构，记录冷端随时间变化的温
度，并评估其隔热性能。【结果】研究发现，MTIS的隔热性能与所应用的PCM和组装方式密切相关。
在各种组合中，以石蜡填充气凝胶为中间层的叠层（双层）夹层结构具有优异的隔热性能。在300°C下加热10min后，10mm的多层夹层结构的冷端温度仅为59°C，显著低于其他模式下的
67°C或71°C。【结论】这种优化设计的本质是改变MTIS的热平衡路径，来实现短期和高效的隔
热，使其在各种隔热应用中具有一定的通用性。
关键词：多层隔热气凝胶；相变材料；高效率
中图分类号：TG333文献标志码：A文章编号：1003-5168（2023）14-0051-06DOI：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.14.010
MultilayerThermalInsulationStructureDesignandThermalInsula⁃
tionEffectEvaluationBasedonSilicaAerogel
WANGRongZHAOZiwenTANGXiuzhi
(InstituteofAerospaceTechnology,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China)
Abstract:[Purposes]Porousthermalinsulationmaterialshavegainedpopularityduetotheiradvantagesindesignability,functionalization,andeaseofassembly,butitisnecessarytosolvesignificanttechnical