蛭石隔热材料隔热性能的实验与数值模拟研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 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 蛭石隔热材料隔热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 蛭石含量对材料隔热性能的影响
• 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