SiO2气凝胶复合材料的隔热和力学性能优化

第３６卷第５期　硅　酸　盐　通　报　Ｖｏ１．３６　Ｎｏ．５　２０１７年５月　ＢＵＬＬＥＴＩＮ　０Ｆ　ＴＨＥ　ＣＨＩＮＥＳＥ　ＣＥＲＡＭＩＣ　ＳＯＣＩＥＴＹ　Ｍａｖ．２０１７　ＳｉＯ２气凝胶复合材料的隔热和力学性能优化　梁玉莹　，吴会军　，黄仁达　，杨建明　（Ｉ．广州大学土木工程学院，广州５１０００６；２．广州大学建筑节能研究院，广州５１０００６）　摘要：ＳｉＯ，气凝胶是一种新型多功能固体材料，因具有极低热导率在热学、光学及电学等领域具有广泛的发展和　应用前景。但是ＳｉＯ。气凝胶的高温隔热和力学性能较差，通常通过加入遮光剂和增强纤维制备三组分气凝胶复合　材料，可有效改善其隔热和力学性能。在改善的过程中，组分质量分数对三组分气凝胶复合材料的隔热和力学性　能影响很大。本文通过建立热导率理论模型，结合三元正交设计法研究了组分质量分数对热导率的影响规律。采　用三元正交法优化了三组分气凝胶复合材料的组分质量分数，并优化获得了同时满足给定隔热和力学性能的组分　区域，提供了满足工程需求的组分区域。　关键词：气凝胶；复合材料；热导率；正交设计；优化　中图分类号：ＴＫ１２４　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１　１６２５（２０１７）０５—１６９３－０７　Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　Ｔｈｅｒｍａｌ　ａｎｄ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　Ｓｉｌｉｃａ　Ａｅｒｏｇｅｌ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ＬＩＡＮＧ　Ｙｕ—ｙｉｎｇ　，ＷＵ　Ｈｕｉ－ｊｕｎ　，ＨＵＡＮＧ　Ｒｅｎ．ｄａ　，ＹＡＮＧ　Ｊｉａｎ．ｍｉｎｇ　（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５１０００６，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５１０００６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ　ａ　ｎｏｖｅｌ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｎａｎｏ　ｐｏｒｏｕｓ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｓｉｌｉｃａ　ａｅｒｏｇｅｌ　ｈａｓ　ｅｘｈｉｂｉｔｅｄ　ｅｘｔｅｎｓｉｖｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ　ｉｎ　ｔｈｅｒｍａｌ，ｏｐｔｉｃａｌ　ａｎｄ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ｆｉｅｌｄｓ　ｏｗｉｎｇ　ｔｏ　ｉｔｓ　ｓｕｐｅｒ．１ｏｗ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｉｔｓ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｉｎ　ｈｉｇｈ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ａｒｅ　ｐｏｏｒ．Ｃｏｍｍｏｎｌｙ　ｔｈｅｙ　ｃｏｕｌｄ　ｂｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｂｙ　ａｄｄｉｎｇ　ａｄｄｉｔｉｖｅｓ　ｏｆ　ｏｐａｃｉｉｆｅｒｓ　ａｎｄ　ｆｉｂｅｒｓ　ｉｎｔｏ　ａｅｒｏｇｅｌ　ｍａｔｒｉｘ　ｔｏ　ｆｏｒｍ　ｔｈｒｅｅ—ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ａｅｒｏｇｅｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｆ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ，ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ｃｏｎｔｅｎｔｓ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ　ｔｈｅ　ｔｈｅｒｍａｌ　ａｎｄ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ　ｔｈｉｓ　ｓｔｕｄｙ　ｉｓ　ａｉｍｉｎｇ　ｔｏ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ｃｏｎｔｅｎｔｓ　ｏｎ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｉｅｓ　ａｎｄ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌｓ．Ｔｈｅ　ｔｅｒｎａｒｙ　ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｏｐｔｉｍｉｚｅ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ｃｏｎｔｅｎｔｓ，ａｎｄ　ｔｈｅｒｅｂｙ　ｔｏ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｇｕｉｄａｎｃｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｒｅａ　ｏｆ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ｃｏｎｔｅｎｔｓ　ｆｏｒ　ｓａｔｉｓｆｙｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅｒｍａｌ　ａｎｄ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｅｒｏｇｅｌ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ；ｔｈｅｒｍａｌ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ；ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ　ｄｅｓｉｇｎ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　．　口　ＳｉＯｚ气凝胶是一种具有超低热导率的新型革命性保温材料，备受国内外研究学者的广泛关注￣ｚ－３］，但它　力学性能差和高温隔热能力弱，极大限制了其发展与应用　。为改善气凝胶的力学和隔热性能，通常加入　基金项目：国家自然科学基金（５１６７８１６７）；广东省自然科学杰出青年基金项目（￥２０１３０５００１４１３９）；广州市属高校羊城学者科研项目　（１２０１５６１５６０）　作者简介：粱玉莹（１９９２一），女，硕士研究生．主要从事节能材料方面的研究．　通讯作者：吴会军，博士，研究员．　１６９４　试验与技术　硅酸盐通报　３６卷　增强纤维　。和遮光剂　，以制备获得力学性能和中高温隔热性能均良好的一组分气凝胶复合材料　、　组分质量分数是影响三组分气凝胶复合材料热导率的关键影响参数，大ｈｌ研究采川　一因素法研究了　遮光剂含鲢或纤维含量对气凝胶复合材料隔热或力　学性能的改：薄规律　。　，结果表明只有在一定的遮光剂　或纤维禽；１下气凝胶的隔热或力学性能得到较好的改善，如果遮光剂或纤维的加入量过多反而得　刮较好　Ｉ｛＝的改善效果。此外纤维在改善气凝胶力学性能的同时还影响了隔热性能，遮光剂的加入量应该考虑到纤维　对隔热　Ｈ－．ｆＥ（￣影响，否则町能会导致遮光剂过量而达小到隔热效果。冈此研究遮光剂含　和纤维含鞋对气　凝胶复合材料性能的综合影响规律，对获得更好隔热干¨力学性能的气凝胶复合材料具仃取要的指导意义。　日前尚无文献报道组分质量分数对三组分气凝胶复合材料热　率的影响规律，因为　组分复合材料有　效热导李训‘算模型复杂¨　，且多因素影响规律难以通过一般的图形来描述　，但通过一ｊｔｉｌｅ交设计法可以　很好地解决多因素优化问题并获得满足条件的组分区域　。　。本文将基于　三组分气凝胶复合材料热导率　论模　，采用三元正交设计法研究组分质　分数对热导率的综合影响规律，优化获得满足给定隔热和力学　性能的纰分区域，设计与指导获得良好力学和隔热性能的气凝胶复合材料，以促进ＳｉＯ　气凝胶及其复合材　料的节能应用　２　理论方法　２．１　三组分气凝胶复合材料的热导率计算模型　２．１．１热导率模型的前提假设　在ＳｉＯ！气凝胶基体加入碳颗粒　中高温隔热增强材料（卉径３　ｔ．ｃｎ　），　英玻璃Ｋ纤维力学增强材料　（纯度大于９９．５％，直径８　ｍ，长径比≥１０００），采用常压干燥ｌｌ：艺　・　制备　ｌ　组分气凝胶复合材料。　二二绀分气凝胶复合材料的有效热导率由导热热导　率（ｋ，）ｌ不１Ｊ辐射热导率（　）两部分组成。基于ＳｉＯ，气　凝胶复合材料的微观结构模型。。　，对各组分结构作出　简化（如　１）：（１）遮光剂颗粒在ＳｉＯ　气凝胶基体中　分布均匀；（２）纤维在基体中空间随机分布，即复合材　料是各向　性的；（３）遮光剂和纤维被气凝胶完全包　裹，遮光剂、纤维和遮光剂及纤维之间无直接接触；　（４）忽略遮光剂和纤维与气凝胶的接触热阻。　罔１　ｉ组分气凝胶复合材料的结构简化示意ｌ殳ｌ　２．１．２热导率计算模型　｝　、ｉｇ．１　Ｓｔ’Ｉｌｅｌｎａｔｉ￣‘ｄｉａｇｌ￣．ｔｌｌｌ　ｏｆ　ｓｔｌ’¨ｒｔｔｎ‘ａｌ　ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ　ｏｔ　ｔＪ１ｒ（　Ｐ　：－－Ｌａｔ￣气凝胶复合材料的导热热导率的计‘算中，首　（＇ｏ１１１ｐｏｌｔｅｎ［　ＪＰｒｏｇｅｌ（・Ｉ）Ｉ】１Ｉ１‘，ｓｉｔｅ　允采用麦兜斯韦模型计算遮光剂／气凝胶复合材料的　热热导牢（ｋ，），再用哈密顿模型¨　计算，其计算式为：　一　／厶　＋（ｎ一）＋（１　　ｒ／　一）１　　／　，　…　㈩　“　＇．　“　（　／　ｋ＋替　２　）一（　ｒ１　／　ｋ　Ｉ．一　　）　／（　１　一　，）“　’“　㈦　一　式巾：　为气凝胶／遮光剂的复合导热热导率，ｎ为纤维形状因子（圆柱形取６），１－＇，和　分别为纤维和遮光　剂占二冗材料的体积比；　为气凝胶导热热导率，采用交义立方球模型”计算；　，和　分别为纤维和遮光　刹的导热热导率。　ｉ元气凝胶复合材料的辐射热导率采用Ｒｏｓｓｅｌａｎ￣１方程　。　。计算：　１６　ｒ，　…　＾，１　，　．—　■一　Ｌｊ　式ｒｆＪ：　为川围环境温度，Ｏ－为Ｓｔｅｆａｎ—Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ常数，，ｚ　为温变复合折射率；　，为总体Ｒｏｓｓｅｌａｎｄ平均消光系　第５期　梁玉莹等：ＳｉＯ：气凝堕　全塑　堕垫　兰竺堂垡　卢　＝１．５ｖ。Ｑ＾．０／ｄ。　８　ｆ＝４ｖｓＱ　，ａｆ　一ｄ】　口曩呐　等　；嗣ｌ暑ｑ　皂　！　ＪｄＨ１００　数，它是各组分光谱消光系数体积权重求和，遮光剂和纤维的光谱消光系数表达式为：　（４）　式中：ｄ。和ｄ，分别为遮光剂颗粒和无限长直圆柱纤维直径，Ｑ　和Ｑ　为遮光剂和纤维光谱消光效率，可分　别采用米氏散射理论　和不规则衍射理论（ＡＤＴ）　计算。光谱消光效率的计算初始参数为复折射率，分　别参考ＳｉＯ　气凝胶　、碳遮光剂　ｍ　和石英玻璃增强纤维　。　２．２三组分气凝胶复合材料的力学性能　抗压强度是表征ＳｉＯ。气凝胶复合材料力学性能的重要参数。采用标度定律拟合获得ＳｉＯ：气凝胶材料　的力学性能＿２４　Ｊ：　Ｅ＝ａｐ　（６）　式中：Ｅ为表征力学性能的目标值，０和ｂ为拟合系数，Ｐ　为气凝胶复合材料的密度。　Ｐ　＝（Ｗ　＋ｗｅ）／（　。＋　，）　（７）　式中：Ｗ　和　，分别为气凝胶和增强纤维的质量比，Ｐ。和ｐ，分别为气凝胶和增强纤维的体积密度，对玻璃纤　维取２２００　ｋｇ・Ｉｌｌ～。基于玻璃纤维增强ＳｉＯ　气凝胶复合材料的抗压强度（２５％形变）的基础研究　，如图２　所示，可以计算获得以玻璃纤维增强气凝胶复合材料的拟合系数ｎ和ｂ分别为１．７０×１０　和１Ｏ．８９，拟合误　差在９％以内。　在三组分气凝胶复合材料的力学性能设计中，考虑到遮光剂呈球形、直径小，对抗压强度的贡献相对纤　维很小，计算中假定单位质量的抗压强度与ＳｉＯ　气凝胶等同，则三组分气凝胶复合材料的抗压强度近似为　Ｅ：ａｐ　＋　。Ｅ。Ｐ。／ｐ。　度　（８）　其中：伽。为遮光剂的质量比，Ｐ。分别为遮光剂的密度，对碳遮光剂取１８５０　ｋｇ・ｉｎ一，Ｅ　为纯气凝胶的抗压强　图２玻璃纤维增强气凝胶复合材料　的抗压强度（２５％形变）　Ｆｉｇ．２　Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｇｌａｓｓ　ｆｉｂｅｒ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　图３　三组分气凝胶复合材料的三元正交设计原理图　Ｆｉｇ．３　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｔｅｒｎａｒｙ　ｆａｃｔｏｒｉａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　ｔｈｒｅｅ－ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ａｅｒｏｇｅｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ａｅｒｏｇｅｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ（２５％ｓｔｒａｉｎ）　２．３三组分气凝胶复合材料的三元正交设计法　以计算的ＳｉＯ：气凝胶复合材料热导率和弹性模量为目标函数值，ＳｉＯ　气凝胶含量、遮光剂含量和纤维　含量为因变量，分别为　。、　。和　，轴，得到三元正交设计原理图，如图３。图中过点Ｐ的三条直线，平行轴　线，与各轴交点对应的数值规定为点Ｐ的坐标值Ｗ砷、Ｗ。。和　。设计中ＳｉＯ　气凝胶含量不小于６０％，相应　纤维和遮光剂含量的取值范围为０ｗｔ％～４０ｗｔ％。　图中ｚ　和ｚ：为三组分气凝胶复合材料热导率的两条平行等值线，引入Ｏｔ值表征等隔热性能下遮光剂含　量与纤维含量的比值，即直线ｚ。和ｆ　的　值相等，那么直线ｆ　和ｚ　的斜率（ｓ）也相等，表示为　１６９６　试验与技术　硅酸盐通报　０　Ｏ　Ｏ　Ｏ　第３６卷　Ｏ　０　Ｏ　啪　其中：△￡为直线方向的变化量，　。和　，分别为遮光剂和纤维的质量含量，并由图可获得　㈤＝　。ｓ（１一Ｗ　一　厂，　，　厂）＝　（１一　。一ｗ厂一Ａｔ十ＯＬ・Ａｔ，　。一Ａｔ，加ｒ＋　・Ａｔ）　／（１一　）　㈣　（９）　咖　则等高线与　轴向的夹角０为　：　。。　（—　一）　锶　一　（１０）　（１　１）　３　结果与讨论　３．１　三组分气凝胶复合材料的热导率计算模型验证　一　为验证理论模型预测的可靠性，进行了模型预测值与实验测试值的对比。图４（ａ）为３００　Ｋ时不同组分　质量分数的石英玻璃／ＳｉＯ　气凝胶复合材料有效热导率预测值与实测值的对比。可以看出，有效热导率随　着纤维含量的增大而增大，这是因为常温下纤维对ＳｉＯ　气凝胶导热热导率的增大值大于纤维对ＳｉＯ，气凝　胶辐射热导率的减小值¨　。还可以发现预测值与实测值较好的吻合，实测值稍高于预测值（８％以内），这是　由于实验制备中纤维之间会存在接触以及不同平面间的交错而产生热桥，造成实验测试有效热导率稍高。　一　）【．　暑．≥－），蚤Ｉ＾　０盘勺　００　ｄ暑０占一舞　图４（ｂ）为不同温度下三组分气凝胶复合材料的有效热导率预测值与Ｒｕａｎ等实验值ｌ＿】。。对比。其中复　合材料密度为２７０　ｋｇ・ｍ～，纤维含量为２０ｗｔ％，遮光剂含量分别为１０ｗｔ％和２０ｗｔ％。通过比较发现，较大　遮光剂含量下的有效热导率较小，这是因为遮光剂可以减小三元复合材料的有效热导率，且在高温环境的减　小效果更明显。总体上，模型预测热导率比实验测试值略小，这也是由于实验制备中纤维之间会存在接触以　及不同平面间的交错而产生热桥，且实验条件下的纤维与遮光剂可能存在直接接触，而这些情况在预测模型　中均是简化并忽略的。　结果表明理论模型预测值与实验测试值吻合良好，验证了热导率计算模型的可行性。　图４热导率的理论模型预测值与实验值对比（ａ）玻璃／气凝胶复合材料热导率随组分质量分数变化；　（ｂ）三组分气凝胶复合材料热导率随温度变化　Ｆｉｇ．４　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ　ａｎｄ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｔｈｍ￣ａｌ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ（ａ）ｔｈｅｒｍａｌ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ　ｏｆ　ｆｕｓｅｄ　ｓｉｌｉｃａ／ａｅｒｏｇｅｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｖａｒｉｅｓ　ｗｉｔｈ　ｎｌａｓｓ　ｆｒａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｆｂｅｒ；（ｂ）ｔｈｅｒｍａｌ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ—ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ａｅｒｏｇｅｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｖａｒｉｅｓ　ｗｉｔｈ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ　３．２　三组分气凝胶复合材料热导率的三元正交设计　３．２．１　导热热导率的三元正交设计　图５为各个温度下碳／玻璃／ＳｉＯ，气凝胶复合材料的导热热导率随组分质量分数变化的三元正交设计，　计算中气凝胶密度取１　１０　ｋｇ・ｍ～。可以看出导热热导率均随着纤维含量和遮光剂含量的增大而增大。图　中纤维质量含量从０增大到４０ｗｔ％，３００　Ｋ、６００　Ｋ和９００　Ｋ三个温度下的导热热导率从０．０１７５　Ｗ・ｍ～。　Ｋ～、０．０１７８　Ｗ・ｍ～・Ｋ　和０．０１９１　Ｗ・ｍ～・Ｋ　分别增大到０．０１９２　Ｗ・ｍ～・Ｋ～、０．０１９８　Ｗ・ｍ～・　Ｋ　和０．０２１３　Ｗ・ｍ一・Ｋ～，这是因为纤维在的导热热导率比ＳｉＯ：气凝胶的大，随着它们含量的增大，复　合材料的导热热导率也相应增大　。　第５期　梁　莹等：ＳｉＯ！气凝胶复合材料的隔热和力学性能优化　０．６　０．７　０．８　０　９　１．０　０．６　０．７　０．８　０．９　１．０　０．６　０．７　０　８　０　９　ｌ　０　Ｓｉｌｉｃａ　ａｅｒｏｇｅｌ　Ｓｉｌｉｃａ　ａ￣ｏｇｅｌ　Ｓｉｌｉｃａ　ａｅｒｏｇｅｌ　图５各温度下＝－￣－Ｈ分气凝胶复合材料导热热导率的三　元正交设计（ａ）３００　Ｋ；（ｈ）６００　Ｋ；（ｔ・）９００　Ｋ　Ｆｉｇ．５　Ｔｅｒｎａｒｙ　ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ　ｔｈｅｒｍａ｜ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ　ｏｔ’ｔｈｒｅｅ一（。ＯｌｌｌｐＯｌｌｅｎｔ　ａｅｒｏｇｅ［　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ａｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ（ａ）３００　Ｋ；（ｂ）６００　Ｋ；（ｅ）９００　Ｋ　３．２．２辐射热导率的三元正交设计　图６为各个温度下三组分气凝胶复合材料的辐射热导率随组分质艟分数变化的二元订二交没汁，计算中　气凝胶密度取１　１０　ｋｇ・Ｉｎ～。等值线近似平行，与气凝胶轴线夹角在各个温度下均远小于６０　，表明碳阻　挡辐射热流的能力远好于石英玻璃。例如，９００　Ｋ碳含量１０ｗｔ％时的辐射热导率等值线交于气凝胶轴线　６４ｗｔ％（即石英玻璃３６ｗｔ％），表明１０ｗｔ％碳的增强隔热效果与３６ｗｔ％石英玻璃的一样。【大１此，碳遮光剂阻　挡辐射热流的能力优于石英玻璃纤维。　０　６　０．７　０．８　０　９　１．０　０６　０　７　０．８　０．９　ｌ　０　０．６　０．７　０　８　０．９　１　０　Ｓｉｌｉｃａ　ａｅｒｏｇｅｌ　Ｓｉｌｉｃａ　ａｅｒｏｇｅｌ　Ｓｉｌｉｃａ　ａｅｒｏｇｅｌ　图６各温度于三组分气凝胶复合材料辐射热导率的二｜元正交设计（ａ）３００　Ｋ；（１，）６００　Ｋ；（ｔ　）９００　Ｋ　Ｆｉｇ．６　Ｔｍ’ｎａｒｙ　ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　ｒａｄｉａｔｉｖｅ　ｔｈｉｎ’ｍａｌ　ｅｏｎｄｔｌ（‘ｔＭｔｙ（）ｆ　ＩｈＦｅｅ一（　ｉ）ｌｌｌｐＯｌｌｅｌｌｌ　ａｅｒｏｇｅｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ａｌ　ｄｉｆｍ’ｅｎｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ（ａ）３００　Ｋ；（１，）６００　Ｋ；（（‘）９００　Ｋ　３．２．３有效热导率的三元正交设计　图７为各个温度下三组分气凝胶复合材料的有效热导率随组分质量分数变化的三元　交设汁，计算中　气凝胶密度取１　１０　ｋｇ・ｉｎ～。可以看出３００　Ｋ时有效热导率等值线在在三角形没　‘　域　不同曲度的抛物　线形，开口方向朝Ｙ轴，抛物线极值点处的切线平行于，‘轴，与。轴的交点表示纤维禽最值大小　可以获得　三个温度下等值线的１９／值分别为０．９３、５．５和６．０，对应的等值线倾角０为６３．７。、９．５。和８．９。。发现在中高　温中Ｏ／较大而０值较小，表明在纤维／ＳｉＯ　气凝胶复合材料中继续加入遮光剂可有效降低中高温有效热导　率。例如，６００　Ｋ时纤维含量２０ｗｔ％的石英玻璃／ＳｉＯ　气凝胶复合材料中，继续加入碳１５ｗｉ％，可使有效热导　率从０．０２９０　Ｗ・ｎｌ～・Ｋ　减小到０．０２１４　Ｗ・ＩＴＩ～・Ｋ～，获得约２５％的隔热优化效果；同样，９００　Ｋ时有效　热导率从０．０６０１　Ｗ・Ｉｌｌ～・Ｋ　减小到０．０２８２　Ｗ・ＩＩ１～・Ｋ～，可获得约５５％的优化效果。因此，在纤维／　ＳｉＯ，气凝胶复合材料中继续加入遮光剂可进一步有效增强中高温隔热性能。　３．３　隔热和力学性能的三元正交设计与优化　图８为三组分气凝胶复合材料形变２５％抗压强度的三元正交设计图，可以看出，图中等值线近似直线，　试验　ｊ技术　硅酸盐通报　第３６卷　０　６　０　７　０．８　０　９　１．０　０．６　０．７　０．８　０．９　１　０．６　０．７　０．８　０．９　１．０　Ｓｉｌｉｃａ　ａｅｒｏｇｅｌ　Ｓｉｌｉｃａ　ａｅｒｏｇｅｌ　Ｓｉｌｉｃａ　ａｅｒｏｇｅｌ　７各温度下三组分气凝胶复合材料有效热导率的三元正交设计（ａ）３００　Ｋ；（ｂ）６００　Ｋ；（ｃ）９００　Ｋ　Ｆｉｇ．．Ｔｃｒｎａｒｖ　ｆａｃｔｏｒｉａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ—ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ａｅｒｏｇｅｌ　，ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ａｔ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ（ａ）３００　Ｋ；（ｂ）６００　Ｋ；（Ｃ）９００　Ｋ　这是『如于纤维质量比对三元复合材料抗压强度的影响最大，特别是纤维含量大于１０ｗｔ％以后，其它组分质　比对抗压强度的影响很小。　结合　组分气凝胶复合材料热导率的三元正交设计，获得了３００　Ｋ时同时满足有效热导率和抗压强度　的组分质量分数区域，如图９所示。为获得满足有效热导率小于０．０１９０　Ｗ・ｍ一・Ｋ～且形变２５％抗压强　度大于３０　ｋＰａ的组分质量分数区域，在三元正交设计图中作出热导率０．０１９０　Ｗ－ｍ～・Ｋ。。等值线（图７　（ａ））与抗压强度３０　ｋＰａ（图８）等值线围成的组分区域，如图区域Ａ所示，即纤维含量大于１０．１ｗｔ％、且遮光　剂含　为０ｗｔ％一１４．５ｗｔ％。同理，可以获得所有同时满足有效热导率小于０．０１９５　Ｗ・ＩＨ～・Ｋ～同．形变　２５％抗压强度大于１Ｏ０　ＭＰａ的组分质量分数区域，如图区域Ｂ所示，纤维含量大于２４．３ｗｔ％、遮光剂含　为　０ｗｔ％～１３．９ｗｌ％　０　６　０．７　０．８　０．９　１．Ｏ　Ｓｉｌｉｃａ　ａｅｒｏｇｅｌ　Ｓｉｌｉｃａ　ａｅｒｏｇｅｌ　冬１　８　■纰分气凝胶复合材料抗压强度（２５％形变）　的三元正交设计　Ｆｉｇ．８　Ｔｅｒｎａ　ｒｙ　ｆａｃｔｏｒｉａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　图９基于有效热导率和形变２５％抗压强度　的三元正交设计　Ｆｉｇ．９　Ｔｅｒｎａｒｙ　ｆａｃｔｏｒｉａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｔｈｅｍｍｌ　ｃｏｎｄｎ（’ｔｉｖｉｔ）　（２５％ｓｔｌ’ａｉｎ）ｏｆ　ｔｈｒｅｅ－ｃｏｍｐｏｎｅｎ［ａｅｒｏｇｅｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　ａｎｄ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ（２５％ｓｔ　ｚ’ａｉｎ）　由此可见，通过对三组分气凝胶复合材料隔热和力学性能的三元正交设计，可以很好地优化各组分参　数，获得同时满足给定隔热和力学性能的组分安全区域。　４　结　论　（１）热导率理论模型预测值与实验测试值吻合良好，计算模型是可靠的；　（２）基于二　元正交设计的等值线图，方便获得了组分质量分数对热导率的影响规律；遮光剂可有效增强　ｒ｝ｌ高温隔热性能，例如在纤维含量２０ｗｔ％的玻璃／气凝胶复合材料中，加入１５ｗｔ％碳遮光剂，在６００　Ｋ和９００　Ｋ温度环境中可分别获得约２５％和５５％的隔热优化效果；　¨　１ｊ　１Ｊ　１｛］Ｊ　第５期　梁玉莹等：ＳｉＯ　气凝胶复合材料的隔热和力学性能优化　１６９９　（３）基于三组分气凝胶复合材料隔热和力学性能的三元正交设计与优化，获得了同时满足给定隔热和　力学性能的组分质量分数区域，例如优化得到满足有效热导率小于０．０１９０　Ｗ・Ｉｎ‘。・Ｋ　且形变２５％抗压　强度大于３０　ｋＰａ的组分质量分数区域：纤维含量大于１０．１ｗｔ％、遮光剂含量为０ｗｔ％一１４．５ｗｔ％。　参考文献　Ａｅｇｅｒｔｅｒ　Ｍ　Ａ，Ｌｅｖｅｎｔｉｓ　Ｎ，Ｋｏｅｂｅｌ　Ｍ　Ｍ．Ａｅｒｏｇｅｌｓ　ｈａｎｄｂｏｏｋ［Ｍ］．Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ：Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，２０１１．　吴会军，胡焕仪，陈奇良，等．通过控制醇凝胶强度常压制备低密度疏水ＳｉＯ２气凝胶［Ｊ］．化工学报，２０１５（１０）：４２８１－４２８７．　王珊，王欢，杨建明，等．气凝胶节能玻璃的研究与应用进展［Ｊ］．建筑节能，２０１６，８（１４）：５０－５４．　Ｂａｅｔｅｎｓ　Ｒ．Ｊｅｌｌｅ　Ｂ　Ｐ，Ｇｕｓｔａｖｓｅｎ　Ａ．Ａｅｒｏｇｅｌ　ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ：ａ　ｓｔａｔｅ－ｏｆ－ｔｈｅ—ａｒｔ　ｒｅｖｉｅｗ［Ｊ］．ＥｎｅｒｇｙＡｎｄ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ，２０１１，４３（４）：　７６１＿７６９．　ａｏ　Ｙ　Ｄ，Ｄｉｎｇ　Ｙ　Ｆ，ｅｔ　ａ１．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｔｈｅｒｍａｌ　ａｎｄ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｍｕｈｉｌａｙｅｒ　ａｌｉｇｎｅｄ　ｆｉｂｅｒ—ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ａｅｒｏｇｅｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．　［５］　Ｗｕ　Ｈ　Ｊ，ＬｉＨｅａｔ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１４，３５（１１—１２）：１０６ｌ一１０７０．　杨建明，吴会军，钟支葵，等．石英玻璃纤维／气凝胶复合材料的热导率计算及优化［Ｊ］．材料导报Ｂ：研究篇，２０１６，３０（１０）：１３９—１４７．　孙丰云，林金辉，任科法，等．以稻壳常压制备ＴｉＯ２／ＳｉＯ２复合气凝胶的结构及传热性能研究［Ｊ］．硅酸盐通报，２０１６，３５（３）：８７０－８７４．　石小靖，张瑞芳，何松，等．玻璃纤维增韧ｓｉｏ２气凝胶复合材料的制备及隔热性能［Ｊ］．硅酸盐学报，２０１６，４４（１）：１２９—１３５．　ＸｉｅＴ．ＨｅＹ　Ｌ．Ｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｓｉｌｉｃａ　ａｅｒｏｇｅｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓ：Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｎｇ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＨｅａｔ　ａｎｄ　Ｍａｓｓ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ，２０１６，９５：６２１－６３５．　ｎｇ　Ｓ　Ｑ，Ｗａｎｇ　Ｄ　Ｄ，ｅｔ　ａ１．Ｈｅａｔ　ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｓｉｌｉｃａ　ａｅｒｏｇｅｌ／ｇｌａｓｓ　ｆｉｂｅｒ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ　ｂｙ　ｐｒｅｓｓ　ｆｏｒｍｉｎｇ［Ｊ］．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　［１Ｏ］　Ｙｕａｎ　Ｂ，ＤｉＬｅｔｔｅｒｓ，２０１２，７５：２０４－２１０．　Ｗａｎｇ　Ｊ，Ｋｕｈｎ　Ｊ，Ｌｕ　Ｘ．Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ　ｓｉｌｉｃａ　ａｅｒｏｇｅｌ　ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ　ｄｏｐｅｄ　ｗｉｔｈ　ＴｉＯ２　ｐｏｗｄｅｒ　ａｎｄ　ｃｅｒａｍｉｃ　ｆｉｂｅｒｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｎｏｎ—Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　Ｓｏｌｉｄｓ，　１９９５，１８６（６）：２９６－３００．　Ｘｕ　Ｌ，Ｊｉａｎｇ　Ｙ　Ｇ，Ｆａｎｇ　Ｊ　Ｚ，ｅｔ　ａ１．Ｉｎｆｒａｒｅｄ－ｏｐａｃｉｉｅｄ　Ａ１ｆ２Ｏ３－ＳｉＯ２　ａｅｒｏｇｅｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｂｙ　ＳｉＣ－ｃｏａｔｅｄ　ｍｕｌｌｉｔｅ　ｉｂｅｒｆｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｓ　［１２］　［Ｊ］．Ｃｅｒａｍｉｃｓ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，２０１５，４１（１）：４３７－４４２．　　ａ１．Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ　ｏｆ　ｆｉｂｅｒ／ａｅｒｏｇｅｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　ｆｏｒ　ｏｐｔｉｍａｌ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　［１３］　Ｙａｎｇ　Ｊ　Ｍ，Ｗｕ　Ｈ　Ｊ，Ｈｅ　Ｓ　Ｑ，ｅｔＰｏｒｏｕｓ　Ｍｅｄｉａ，２０１５，１８（１Ｏ）：９７１－９８４．　ｎｇＤ．Ｃｈｅｎ　ｚ．Ｏｎ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｓ　ｏｆｍｏｒｔａｒｓ　ｗｉｔｈ　ｔｅｒｎａｒｙ　ｂｌｅｎｄｓ　ｏｆ　ｃｅｍｅｎｔ，ＧＧＢＦＳ　ａｎｄ　ｆｌｙ　ａｓｈ［Ｊ］．Ｃｅｍｅｎｔ＆Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　［１４］　ＷａＲｅｓｅａｒｃｈ，１９９７，２７（２７）：４８７－４９３．　　Ｃ　Ｊ，Ｗａｎｇ　Ｄ　Ｈ，Ｗｕ　Ｌ　Ｍ，ｅｔ　ａ１．Ｔｈｅ　ｈｙｄｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｕｌｔｒａ　ｈｉｇｈ—ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｗｉｔｈ　ｃｅｍｅｎｔ－ｓｉｌｉｃａ　ｆｕｍｅ—ｓｌａｇ　ｂｉｎｄｅｒ［Ｊ］．　［１５］　ＳｈｉＣｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，２０１５，６１：４４－５２．　ｇ　Ｍ　Ｒ，Ｐａｎ　Ｎ．Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｍｕｈｉｐｈａｓｅ　ｍａｔｅｒｉｌａｓ［Ｊ］．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ：Ｒ：Ｒｅｐｏｒｔｓ，　［１６］　Ｗａｎ２００８，６３（１）：１－３０．　［１７］　Ｚｅｎｇ　ｓ，Ｈｕｎｔ　Ａ，Ｇｒｅｉｆ　Ｒ．Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｎｄａ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｃｏｎｄｕｃｉｔｖｉｔｙ　ｏｆ　ｐｏｒｏｕｓ　ｍｅｄｉｕｍ　ｓｉｌｉｃａ　ａｅｕｒｇｅｌ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｆＨｅｏａｔ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ，１９９５，１１７　（４）：１０５５－１０５８．　［１８］　杨建明，吴会军，何石泉，等．亚微米纤维多孔材料热辐射性能的实验与理论［Ｊ］．高分子材料科学与工程，２０１６，３２（６）：１６０—１６５．　［１９］　Ｙａｎｇ　Ｊ　Ｍ，Ｗｕ　Ｈ　Ｊ，Ｗａｎｇ　Ｍ　Ｒ，ｅｔ　１ａ．Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒａｄｉａｔｉｖｅ　ｔｈｅｍａｌｒ　ｐｒｏｐｅｔｒｉｅｓ　ｏｆ　ｕｌｔｒａｉｆｎｅ　ｉｆｂｏｒｕｓ　ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１６（１０４）：３９４－４０２．　吴会军，王沫然．预测纤维增强气凝胶复合材料热导率的研究进展［Ｊ］．材料导报，２０１５（１１）：１２４—１２８．　［２０］　杨建明，［２１］　Ｚｈａｏ　Ｊ　Ｑ，Ｈｕ　Ｙ　Ｑ．Ｂｒｉｄｇｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｆｏｒ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ　ｅｉｆｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｒａｂｉｔｒａｒｙ　ｓｈａｐｅｄ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｏｐｔｉｃｓ，２００３，４２（２４）：　４９３７－４９４５．　［２２］　Ｚｅｎｇ　Ｊ　Ｓ　Ｑ，Ｇｒｅｉｆ　Ｒ，Ｓｔｅｖｅｎｓ　Ｐ，ｅｔ　ａ１．Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｃｏｎｓｔａｎｔｓ　ｎ　ａｎｄ　Ｋ　ａｎｄ　ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ　ｃｏｅｆｉｆｃｉｅｎｔ　ｏｆ　ｓｉｌｉｃａ　ａｅｒｏｇｅｌ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ，１９９６，１１（３）：６８７－６９３．　［２３］　ＫｉｔａｍｕｒａＲ，Ｐｉｌｏｎ　Ｌ，ＪｏｎａｓｚＭ．Ｏｐｔｉｃａｌ　ｃｏｎｓｔａｎｔｓ　ｏｆ　ｓｉｌｉｃａ　ａｓｓｆｒｏｍ　ｅｘｔｒｅｍｅ　ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔｔｏｆａｒｉｎｆｒａｒｅｄ　ａｔ　ｎｅａｒ　ｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ，　２００７，４６（３３）：８１１８－８１３３．　［２４］　Ｗｏｉｇｎｉｅｒ　Ｔ，Ｐｈａｌｉｐｐｏｕ　Ｊ．Ｍｅｃｈａｎｉｃｌａ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｓｉｌｉｃａ　ａｅｒｏｇｅｌｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｆＮｏｎ－ｏＣｒｙｓｔａｌｌｉｅ　ｎＳｏｌｉｓ，ｄ１９８８，１００（１－３）：４０４－４０８．