（工程热物理专业论文）隔热材料导热系数预测及其在发动机排气管隔热中的应用.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着空间技术的迅速发展，对隔热技术的要求也越来越高，而与隔热技术密切相关 的隔热材料也成为隔热领域人们研究的重点。现有隔热材料虽然在不断改善，仍然无法 满足越来越苛刻的隔热环境和隔热要求，因此，加强现有隔热材料隔热性能，寻找新型 高效的隔热材料、合理设计隔热方案逐渐成为隔热技术领域的永恒不变的课题。 本文首先论述了隔热技术在各个领域的重要意义，并对隔热技术与隔热材料的国内 外研究和发展现状进行了综述；论述了隔热材料的隔热机理以及提高隔热材料隔热性能 的途径，在此基础上提出了一种性能优良的氧化锆空心球隔热材料，该材料能有效的控 制热传导、热对流和热辐射：对隔热材料导热系数的理论预测模型和实验测量方法进行 了概述，选择符合微观结构的点接触空心球模型，理论计算氧化锆空心球隔热材料的导 热系数，并分析了气孔率、气孔尺寸等对隔热材料导热系数的影响规律；应用s t a r c d 软件对氧化锆空心球隔热材料的导热系数进行了大量的数值模拟实验，分析了空心球尺 寸，隔热材料气孔率等对导热系数的影响，并计算了隔热材料内传导、对流及辐射传热 对隔热材料导热系数的影响，提出了各种传热方式的控制方法；将理论模型及数值模拟 与实验测量结果进行比较，分析指出了理论模型计算和数值模拟计算的优缺点及适用范 围：理论模型计算适合于低温区域，而数值模拟计算适合任何温度下的导热系数计算， 是预测隔热材料导热系数的一种行之有效的方法； 在上述研究的基础上，将氧化锆空心球隔热材料应用在发动机排气管的隔热环境 中，用s t a r c d 软件计算分析了隔热材料厚度、发射率、真空层以及隔热方式等对排气 管隔热效果的影响；提出一种最佳隔热方案，与以往隔热措施相比，隔热度提高了3 1 7 ， 使排气管热损失减少9 1 4 ，具有非常好的隔热效果，为更高温、更苛刻的隔热方案设 计提供了理论依据和方案设计思路。 关键词：隔热材料；导热系数预测；数值模拟；排气管隔热 隔热材料导热系数预测及其在发动机排气管隔热中的应用 t h ee s t i m a t eo ft h e r m a lc o n d u c t i v i t yo ft h e r m a li n s u l a t i n gm a t e r i a l sa n di t s a p p l i c a t i o no nt h ee x h a u s tp i p eo fe n g i n e a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs p a c et e c h n o l o g y ，t h er e q u i r e m e n tf o rt h e r m a l i n s u l a t i n gt e c h n o l o g yh a sb e c o m es p o n g e r ，a n dt h em a t e r i a l sw h i c ha r ec l o s e l yr e l a t e dt o t h e r m a li n s u l a t i n gt e c h n o l o g yh a v eb e c o m e 廿1 ek e yr e s e a r c hi nt h et h e r m a li n s u l a t i o nf i e l d a l t h o u g ht h ee x i s t i n gt h e r m a li n s u l a t i n gm a t e r i a l sa r ei m p r o v e dc o n s t a n t l y ，t h e ys t i l lc a r ln o t m e e ti n c r e a s i n g l ys t r i n g e n ti n s u l a t i n ge n v i r o n m e n ta n dr e q u i r e m e n t s t h e r e f o r e ，i ti sa n e t e r n a lt o p i ct os t r e n g t h e nt h ep r o p e r t i e so fe x i s t i n gt h e r m a li n s u l t i n gm a t e r i a l sa n ds e a r c h f o rn e we m c i e n tm a t e r i a l s t h es i g n i f i c a n c eo ft h e r m a li n s u l a t i o ni nv a r i o u sf i e l d si st r e a t e da n da ni n t e g r a t e d i n t r o d u c t i o no fi n v e s t i g a t i o na n dd e v e l o p m e n tf o rt h e r m a li n s u l a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h e r m a l i n s u l a t i n gm a t e r i a l si ss u m m a r i z e di nt h i sp a p e rf i r s t l y ak i n do fz r 0 2h o l l o ws p h e r et h e r m a l i n s u l a t i n gm a t e r i a l sw i t he x c e l l e n tp e r f o r m a n c ei sp r e s e n t e do nt h eb a s i co fa l ls u m m a r i z a t i o n o fm em e c h a n i s mo ft h e r m a li n s u l a t i n gm a t e r i a l sa n dt h e a p p r o a c ht oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo ft h e r i t l a li n s u l a t i n gm a t e r i a l s ，w h i c hc a nc o n t r o lt h ec o n d u c t i o n ，c o n v e c t i o n a n dr a d i a t i o ne f f e c t i v e l y n et h e o r e t i c a lm o d e l st oe s t i m a t et h et h e r m a lc o n d u c t i v i t ya r e s u m m a r i z e d a n dap o i n t c o n t a c th o l l o ws p h e r em o d e lw h i c ha c c o r d sw i t h 也em i c r o s t r u c t u r e o fz r 0 2m a t e r i a l s ，a n dl a r g en u m b e r so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na r ep r o c e e dt oa n a l y z et h e e f f e c to fp o r o s i t y ，s i z eo fp o r ee t co nt h et h e r m a lc o n d u c t i v i t y ，a n da l s ot h ee f f e c to f c o n d u c t i o n ，c o n v e c t i o na n dr a d i a t i o ni sa n a l y z e dt of i n da p p r o a c ht oc o n t r o lt h e m f i n a l l y ， c o m p a r et h er e s u l to ft h e o r e t i c a lm o d e l s n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tt oi n d i c a t et h e a p p l i c a b l eb o u n df o rt h e o r e t i c a lm o d e i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s p e c t i v e l y ：i ti sf o a n dt h a t t h e 血e o r e t i c a lm o d e li ss u i t e df o r1 0 wt e m p e r a t u r e a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni saf e a s i b l e m e t h o dt oc a c u l a t et h e r m a lc o n d u c t i v i t yw h i c hi sf i tf o ra n yt e m p e r a t u r e z r 0 2h o l l o ws p h e r ei sa p p l i e dt oe x h a u s tp i p eo fe n g i n eo nt h eb a s i co fa b o v es t u d y ，a n d t h e ns t a r - c di se m p l o y e dt oa n a l y z et h ei n f l u e n c eo ft h et h i c k n e s so ft h e r m a li n s u l a t i n g m a t e r i a l s e m i s s i v i t y v a c u u ma n d 也ef a s h i o no ft h e r m a li n s u l a t i o no nt h ee f f e c to ft h e r m a l i n s u l a t i o n a no p t i m a ls c h e m eo ft h e r m a li n s u l a t i o ni sp r e s e n t e da n dc o m p a r e dt o 也ef o r n l e r s c h e m ei ti sf o u n dt h a tt h es c h e m ew i t he x c e l l e n te f f e c to ft h e r m a li n s u l a t i o nm a k e st h e e f f i c i e n c yo ft h e r n l a li n s u l a t i o ni n c r e a s e31 7 a n dt h eh e a tl o s s r e d u c e9 1 4 w h i c h p r o v i d e st h e o r e t i c a lb a s i sa n di d e af o rs t r i n g e n tt h e r m a li n s u l a t i o nd e s i g n i n g k e yw o r d s ：t h e r m a li n s u l a t i n gm a t e r i a l s ；t h e r m a ie o n d u c f i v i t y ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； e x h a u s tp i p et h e r m a li n s u l a t i o n 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：墼! 堑箜日期：垫丝! 毋且 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：垫堡望 导师签名：兰缸熟函 星型丑年月 日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 隔热的意义 随着科技的迅速发展，热问题几乎遍及每个高科技领域，人们利用热能造福人类， 为人类服务的同时也会产生大量不必要的甚至有害的热量。隔热技术也随之发展起来， 并且逐渐成为促进科技发展的推动力。 由于低温物理，特别是超导研究的迅速发展，对低温或超低温技术的发展起了巨大 的推动作用。人们已经可以获得l o 。或更低的低温，很明显，得到如此接近绝对零度的 低温，没有良好的隔热措施是很难实现的；运输液化天然气的远洋巨轮，近年来与日俱 增，液化天然气的长途运输必须使其保持在一1 2 0 以下的低温；各式各样的冷冻、冷 藏设施以及诸如上述低温隔热要求的不断提出，推动着低温和超低温隔热技术的发展“1 。 现代侦察技术和精确制导武器的飞速发展与广泛应用，坦克的战场生存能力受到日 益严重的威胁。红外技术，特别是先进的热成像技术在现代兵器中的推广应用，给坦克造 成的威胁更是不可忽视的。热成像系统是借助目标与其背景红外辐射的对比度而工作 的，坦克目标的红外辐射特性主要取决于其表面温度和发射率。发动机满负荷工作时， 排气管外表面温度一般在1 0 0 0 c 左右，在坦克动力舱内，排气管外表面的强烈散热，致使 发动机附近的顶甲板和侧甲板将显著升温，呈现出较强的红外辐射，往往成为现代侦察 和制导技术中发现、识别和跟踪坦克目标的重要依据“1 ：另外，随着发动机功率的不断 提高，排气管所排出的热量也在不断增加，环境温度升高，排气管炽热灼人，还可能引起 烫伤和火灾等事故，加上近年来“人机环”工程的备受重视，使如何解决发动 机的排热问题得到广泛的关注。”。采用隔热技术降低坦克动力舱的外表面温度，可减弱 坦克目标与其背景的红外辐射差别，有助于降低坦克目标被发现和被识别的概率，同时 可以改善操作环境，提高作战能力。 在控制空间、主宰机动、全球交战等战略概念的军事背景下，未来航天飞行器正朝 着以火箭为动力、使用非低温燃料、跨大气层飞行、高度机动、低维护以及高度可重复 使用这个方向发展0 1 。载人飞船和洲际导弹的翼前沿和头部锥体，一般要经受4 0 0 0 c - 5 5 0 0 c 的高温；航天器再入返回时，都会经受严重的气动加热，据文献m 报道，飞行器以 胁= 8 的速度在2 7 k m 高度飞行时头锥处的温度为1 7 9 3 c ，机翼或尾翼前缘的温度高达 1 4 5 5 c m ，高温对航天飞行器内部设备的正常运转以及宇航员的生命安全造成了严重威 胁。2 0 0 3 年的美国哥伦比亚号飞船返回途中，由于航天飞机在发射升空时，1 块从外置 油箱上脱落的1 2 1 k g 重的隔热泡沫，以8 0 0 k m 的时速在飞机左翼前端撞出一个破洞，使 隔热材料导热系数预测及其在发动机排气管隔热中的应用 其在返回大气层时被3 0 0 0 的高温气体将左翼烧化，造成机体局部高温最后导致机毁人 亡的悲剧。为了飞行员的安全和机载设备的正常运转，在高超音速飞行器上敷设隔热系 统是必不可少的。隔热系统对于全系统总体方案的确定和飞行器的研制具有举足轻重的 地位。 众所周知，人类的现代文明依赖于能源、信息和材料三大支柱，能源问题是当前世 界各国普遍重视的问题，被列为人类面临的四大生存问题之一伽。而随着工业文明的快 速发展，地球上可被人类利用的石油、煤炭等资源正在日渐枯竭，对于人类而言能源危 机总的趋势不可避免。自上个世纪7 0 年代世界性能源危机发生以来，人类已逐渐的认识 到无节制的使用能源，必然加剧能源危机程度，最终自毁人类生存的环境。由于受科学 技术发展水平的制约，人类开发能够从根本上解决能源危机的新能源尚需时日，所以如 何高效的节能就成为了当前解决问题的关键。我国是能源相对缺乏的国家，随着经济建 设的高速发展，能源短缺己经成为了制约国民经济发展的重要因素。最近几年以及今后 相当长的一段时间里，我国的能源增长速度还会滞后于生产总值的增长速度，因此为了 尽快解决能源短缺越来越制约国民经济发展的局面，我国已将节约能源作为经济工作的 一项长期任务，并将节能问题列为我国经济建设的战略重点。除采用先进技术和科学管 理降低生产能耗外，降低热损失是节能的一个有效措施，而应用隔热技术是降低热损失 的最有效措施，对冷冻冷藏装置、建筑设施、热力管道等进行隔热可以起到保温节能的 作用，例如对发动机排气管隔热，不仅可以降低排气管外表面温度，同时极大的减少排 气管内废气的热能损失，温度很高的废气经过排气管后经过回收再循环利用可以提高发 动机效率及能源利用率。 总之，从低温到高温及超高温，从天上到地下，隔热技术已广泛应用于各种高温炉、 锅炉、原子工业、海洋开发、宇宙航行、热电动力等方面及冶金、石油精练、过热蒸汽、 液化气体、冷冻冷藏等装置中，对人类的发展和进步有着不可忽视的作用和现实意义。 1 2 隔热技术概述 1 2 1 现有隔热方式介绍 根据隔热对象特征的不同应选用不同的隔热方式，如航天运输系统，它包括运载火 箭、航天飞船、航天飞机、空天飞机和其他一些有效载荷回收器、人员应急返回飞行器 以及某些轨道转移飞行器，它们的任务需求、设计目标、使用次数、飞行轨迹、气动外 形和工作环境都不尽相同，其气动加热状况迥异，因而其隔热方案和结构也千差万别。 通常所考虑的主要隔热系统方案可分为三大类，即被动隔热方案、半被动隔热方案 和主动隔热方案，各类隔热方案又包括若干隔热结构形式“1 ”1 。 大连理工大学项士学位论文 ( 1 ) 被动隔热方案 在该方案中，热量由表面辐射出去或被吸收，不需要工作介质来排除。它可采用三 种不同的防热结构形式，依次为热沉结构，热结构和隔热结构。 熟沉结构 这种隔热形式几乎吸收了全部入射热量，并将其储存在结构中，如相变材料，故又 可称为吸收隔热或热汇防热。它是一种最简单的吸收式隔热系统，工作机理是快速导热 并依靠自身的热容吸收热量，一次需要更多的热质量来提高存储热量的能力。该隔热只 限用于短时热脉冲状态，其特点是结构较简单可靠，能保持气动外形不改变，但隔热效 率比较低。 热结构 主要依靠辐射方式散热，其外蒙皮用耐高温材料制成，表面涂有高辐射的涂层，以 提高隔热层表面的辐射散热能力。在受热的同时，它将以辐射的形式向周围发散出大量 热能。它允许结构温度持续上升到由表面辐射出去的热量与入射热量相等的温度为止。 该结构的特点是不受热脉冲持续时间的限制，但有一个可承受总热量的限制值。此外， 该结构可保持气动外形不变。 隔热结构 这种结构兼有吸收隔热和辐射隔热二者的特征，一般可认为是表面隔热结构。其表 面受热，并辐射掉大部分入射热量，而隔热层则阻止剩余入射热量中的大部分向内传递， 最后仅有一小部分热量传至次层结构，并以吸收方式存储在此结构中。该结构也可保持 气动外形不变。 ( 2 ) 半被动隔热方案 该方案介于被动放热和主动冷却方案之间，大部分的热量靠工作介质带走。它采用 两种结构形式，包括热管结构和烧蚀结构。 热管结构 这种结构适用于局部加热程度严重而相邻区域加热程度较轻的部位。热量在严重受 热区被热管吸收，并汽化为工质，而所形成的蒸汽流向较冷端冷凝并排出热量，最后冷 凝了的工质又依靠毛细作用渗过管壁返回严重受热区循环使用。 烧蚀结构 这种结构适用于表面气动加热十分严重的飞行器部位。该结构通过烧蚀引起自身的 质量损失，吸收并带走大量的热量，组织热量的传递，起到保护内部结构在一定温度范 围内正常工作的作用。但是，由于烧蚀材料在这一过程中被消耗掉，因而只能一次使用 隔热材料导热系数预测及其在发动机排气管隔热中的应用 或要求重新进行修复，故限制了使用持续时间。该结构的特点是能通过质量交换和热量 交换进行自身调节，但表面形状发生改变，从而改变了气动力特性。 ( 3 ) 主动隔热方案 在该方案中，热量全部或绝大部分由工质或冷却介质带走，所以不会传至次层结构。 它可采用三种冷却方式，包括发汗冷却，薄膜冷却和对流冷却。 发汗冷却和薄膜冷却结构 这两种冷却方式所依据的原理与烧蚀方式类似，由表面喷出的冷却剂吸收了大部分 由于严重气动加热产生的热量，使其不能传至次层结构。这两种冷却系统均利用泵压系 统来汲取远处槽中的冷却剂，但表面喷出方式不同。发汗冷却通过多孔表面喷出，薄膜 冷却则从不连续的缝隙中喷出。这两种结构的特点是可以保持多孔结构表面的完整性， 对气动力特性基本没有影响，但难以保证多孔壁持续畅通。 对流冷却结构 这种结构的原理是使冷却剂通过位于冷却结构中的通道或管路进行循环，将所吸收 的较严重气动加热带来的大部分热量排除，仅有极少部分热量被辐射掉，而且几乎全部 的入射热量都是通过外蒙皮传入结构中的冷却剂的。此外，如果冷却剂是燃料本身，热 量并不能消耗掉而用于预热燃料，所以这种系统实际上是一种再生冷却系统。它可分为 直接冷却和间接冷却两种。 对于可重复使用航天器，尤其是空天作战飞行器的隔热系统，要考虑隔热系统是否 耐用，是否便于检查，维护，维修，以及隔热系统自身所占用有效载荷的成本等。主动 冷却系统的结构和技术较为复杂，检查、维护、维修也不方便，尚需进一步研究；而被 动隔热系统结构简单，技术可靠，易于实现，所以各国更倾向于选用被动隔热方案。 1 2 2 国内外隔热材料的研究现状 被动隔热方案离不开隔热材料，隔热材料是指气孔率高、体积密度低、导热系数低 的材料，有效地阻止热流传递或减少热损失的所有工程材料。常见的隔热材料按形态又 可分为多孔状隔热材料、纤维状隔热材料、粉末状隔热材料和多层隔热材料四种“”。 多孔状隔热材料又叫泡沫隔热材料，具有质量轻、隔热性能好、弹性好、尺寸稳定、 耐稳性差等特点。主要有泡沫塑料、泡沫玻璃、泡沫橡胶、硅酸钙、轻质耐火材料等。 纤维状隔热材料可按材质分为有机纤维、无机纤维、金属纤维和复合纤维等。在工 业上用作隔热材料的主要是无机纤维，目前用得最广的纤维是石棉、岩棉、玻璃棉、硅 酸铝陶瓷纤维等。 4 大连理工大学顼士学蹙论文 粉末状隔热材料种类较多，有天然和人造之分。从材质上看有无机物、有机物和金 属等。这类材料的每个颗粒本身就是一种多孔体。主要有硅藻土、膨胀珍珠岩及其制品。 多层隔热材料常由低发射率的屏材料和低导热系数的间隔物组成，也有兼有两种作 用的符合材料。其中，最常见的有铝箔、镀铝涤纶薄膜，铝箔纸、玻璃纤维布、玻璃纤 维纸等。 上述常见隔热材料导热系数一般都在o 0 1 o 2 w ( m k ) 范围内，但是因为耐热性差， 它们的使用温度都比较低，即便有些使用温度比较高，在生产使用过程中也存在有害健 康等缺点；随着航空航天科技的迅速发展，对隔热材料的要求越来越苛刻，为了减少航 空航天发射成本，隔热材料的导热系数和密度越小越好，因此，上述常用隔热材料已经 越来越不能满足高隔热度的发展要求，寻找高温、低导、轻质、环保的隔热材料已经成 为热防护领域重要的课题。 高温隔热材料于1 9 2 8 年在美国及西欧闯世，德到迅速推广和使用，为了在各种气 氛下，满足金属，非金属及其制品的高温热处理工艺要求，并降低能源消耗，很多科技 人员致力于研究在高温下使用的轻质隔热材料。下面介绍现有高温隔热材料的基本情 况。按照材料内部组织和构造的不同，新型高温隔热材料可分为三类： ( 1 ) 纤维隔热材料 硅酸铝纤维 硅酸铝纤维材料在我国工业窑炉和热力设备中已得到广泛的应用，并形成相当规模 的稳定生产能力，是种成熟的隔热工程材料，长期应用的经验表明，硅酸铝纤维材料 具有质量轻，耐高温，导热系数低，热容小，热稳定性好、耐机械震动等优点。其使用 温度为低于1 2 0 0 c ，导热系数范围在o 0 3 0 2 2 w ( m k ) ，导热系数随温度升高而迅速 增大。 目前，许多国家都开展了对硅酸铝纤维的研制和应用工作，其中美国、前苏联、日 本、和英国等处于领先地位，特别是美国开发出许多新品种，美国的金刚砂公司已经制 造出厚度达0 8 m m 的硅酸铝纤维纸，这种纤维纸具有质量轻、热导率小和耐火等特点。 在航空航天领域，硅酸铝纤维复合材料已用作火箭发动机部件的隔热层、点火装置内衬、 氧气发生器的绝热层等。在军用和商用飞机上用于机翼前缘、端头帽烧蚀防护层、排气 通道热防护层和飞机上各种仪器设备的防火保护层等1 。 氧化铝纤维 氧化铝纤维是多晶隔热耐火纤维的一个重要品种，具有热容小，耐热震性极好，导 熟系数低，高温稳定性好等特点，其使用温度低于1 4 0 0 。与碳纤维，碳化硅纤维等非 氧化物纤维相比，氧化铝纤维不仅具有高强度、高模量、耐高温等优良性能，而且还有 隔热材料导熟系数预测及其在发动机排气管隔热中的应用 很好的高温抗氧化性，耐腐蚀性和电绝缘性。，氧化铝纤维可与树脂、金属或陶瓷进行 复合制备高性能复合材料，在航空、航天、军工及高科技领域应用广泛。 莫来石纤维是氧化铝基纤维的主要品种，在结构上主要是以莫来石微晶相的形式存 在。与一般氧化铝基纤维相比，莫来石纤维具有更好的耐高温性，使用温度在 1 5 0 0 - - 1 6 0 0 c ，特别是高温抗蠕变性和抗热震性均有很好的提高，是当今国内外比较好 的超轻质高温隔热纤维。莫来石短纤维作为隔热耐热材料，在航天工业上已得到重要应 用1 。 氧化锆纤维 氧化锆具有优良的机械、热学、电学、光学性质，在高温隔热领域有着广泛的应用， 是近年来陶瓷材料研究领域各受关注的课题。氧化锆陶瓷纤维的强度高，熔点高，在大 气中可用到2 5 0 0 c 仍保持完整的纤维形态，最高使用温度可达1 6 0 0 ，还具有抗冲击 性，可烧性等特点。与所有金属氧化物相比，氧化锆具有极低的导热系数，这使之成为 非常好的隔热材料，氧化锆纤维板也被认为是极好的高温隔热板。氧化锆陶瓷纤维有着 重要的应用前景和研究价值。 美国最早在氧化锆纤维制品方面研究开发，现已实现商品化，有4 0 多种产品，大 都用于先进的军事及能源技术关键隔热部件上。美、日、英、法、德等国家已普遍将氧 化锆纤维制品用于激光单晶炉等超高温隔热、耐腐蚀领域中。国内，八五期间研制的氧 化锆纤维制品，在航天器热性能试验设备的机动弹头控制翼放热系统中应用试验效果良 好，隔热性能可与高硅氧材料媲美“”。 六钛酸钾晶须 钛酸钾晶须是一种新型针状短纤维，钛酸钾晶须的导热系数较小，常温下为 o 0 8 9 w ( m k ) ，8 0 0 时则只有o 0 1 7 w ( 1 1 1 k ) ，即具有负的温度系数。钛酸钾晶须具有 下列显著特点：无毒无害，性能稳定；使用温度高，可达1 0 0 0 ；使用寿命长；无“灰 化”现象产生，不污染环境等。钛酸钾晶须是高性能复合材料的增强剂，可以做红外射 线反射材料，利用钛酸钾晶须的隔热性能，已经开发出与硅树脂复合的涂层。最近十多 年发展起来的钛酸钾纤维，也是一种相当好的隔热纤维，它是直径为0 1 1 0 微米左右 的结晶纤维。由于纤维本身还具有对红外波很高的反射和散射性能，使它的隔热性能极 好。在5 3 8 时，导热系数为o 0 5 1 w ( m k ) 。它比一般纤维材料具有成毡性好的特点， 因此，更容易加工成各种制品，而用于空间技术。 ( 2 ) 多孔隔热材料 硅酸钙多孔材料 大连理工大学硕士学位论文 硅酸钙隔热材料是一种新型的多孔状绝热材料，它是目前国内外常见的高温隔热材 料中性能最为优良的种类之一，其高温抗老化性和环境友好性是一般玻璃态纤维材料所 无法比拟的，现已被广泛应用于矿业、电力、化工、石油、冶金、窑业、建筑等部门。 所谓硅酸钙绝熟材料，是指以水化硅酸钙或硅灰石为主要成分，并掺以增强材料的 人造硬质绝热材料，具有体积密度小，导热系数低，抗压和抗折强度高、施工方便、损 耗率低、可重复再利用等优良的性能，使用温度在6 5 0 1 0 0 06 c 。 硅酸钙绝热材料工业在世界上已有近6 0 年的历史，1 9 4 0 年前后由美国欧文斯康宁 玻璃纤维公司( o w e n sc o r i n gf i b e r g l a s s ) 首先发明和试用，产品名为凯罗( k a y l o ) ，体积 密度为3 2 4 k 咖3 ，应用于工业和建筑保温。其后，英国、日本和原苏联等国也进行了研 究和生产，其中以美国和日本发展最快。1 9 5 2 年硅酸钙制品在日本正式生产，随之制定 了国家标准，制品容重由3 5 0 k g ，m 3 降到2 2 0 k g ，m 3 。日本现已经生产容1 0 0 1 3 0 k g m 3 的超轻制品，而目前正在研制开发体积密度为4 0 k g m 3 的产品。此外，日本还成功地开 发了密封和抽真空技术，对体积密度在1 l o k g m 3 的超轻硬硅钙石型硅酸钙绝热材料经过 密封和抽真空处理，导热系数可以下降到o 0 3w ( m k ) 以下，用于冷藏绝热具有隔热效 果良好、节省空间等综合优势。美国、英国等国家，目前生产耐高温硅酸钙绝热制品的 体积密度分别小于2 4 0 k g m 3 和2 1 0 2 8 0 k g ，m 3 。而日本是目前世界上硅酸钙绝热材料产量 最大、技术最先进的国家“”。 纳米孔硅隔热材料 纳米孔硅质隔热材料的主导原料是硅气凝胶，气凝胶是一种结构可控的新型纳米多 孔材料，具有粉末和块状，其气孔率高达8 0 0 9 9 8 ，比表面积高达8 0 0 1 0 0 0 m 2 g ， 典型孔洞尺寸为l l o o n m ，固态网络结构单元尺寸为1 2 0 n m 。由于其纳米多孔网络 结构使其具有极低的固态和气态热传导，添加红外遮光剂后可有效阻隔高温红外热辐 射，其常温常压下的总导热系数低达0 0 1 影( m k ) ，是目前固体材料中导热系数最低的 一种材料。气凝胶作为一种轻质高效的绝热材料在航空航天、化工、冶金及节能建筑等 领域具有广泛的应用前景。到目前为止，硅气凝胶隔热材料的最高使用温度在1 0 0 0 c 左 右，因此开发使用温度高于1 0 0 0 的纳米孔隔热材料也是今后的科研任务之一“” 氧化铝空心球隔热材料 氧化铝空心球及其制品是一种耐高温、节能优异的轻质耐火材料，具有轻质，高强， 耐高温等特性，导热系数低，隔热效果好，不但可以做隔热层，也可以与火焰直接接触， 而且在各种气氛下使用都非常稳定。特别适于在1 8 0 0 的高温窖炉上应用。空心球可用 于做高温、超高温隔热填料，高温耐火混凝土轻质集料，高温浇注料，由于原材料丰富、 性价比高，被认为是当今最有发展前途的高温隔热材料，得到广泛关注和应用，由氧化 隔热材料导热系数预测及其在发动机排气管隔热中的应用 铝空心球制成的氧化铝空心球陶瓷和氧化铝空心球砖，具有低密轻质，抗热震，隔热性 能好，低热容量等特点，已经广泛应用到实际生产中“”。 氧化锆空心球隔热材料 氧化锆空心球最高使用温度为2 2 0 0 c ，化学稳定性好，导热系数低，仅为氧化铝空 心球的一半，是导热系数最低的氧化物陶瓷隔热材料，氧化锆空心球比氧化铝空心球具 有更好的隔热性能和更高的使用温度，由于价格和原料储量的原因，性价比比较高，但 氧化锆空心球在2 0 0 0 以上的隔熟领域中是其他氧化物材料无法取代的特种氧化物耐 火材料，是具有广泛前景的隔热材料。目前，对氧化锆空心球隔热材料的研究还比较少， 氧化锆空心球的制品比较少，由氧化锆空心球和氧化锆细粉为主要原料制得的氧化锆空 心球砖是性能优良的高温隔热耐火材料，已广泛应用在冶金，化工电子等工业的热工 设备中作为直接接触火焰的高温内衬材料。目前，市场上可以生产的氧化锆空心球直径 在0 2 - 5 m m 之间，作为高温隔热填料，具有广泛的研究和应用价值“”。 几种常见隔热材料的导热系数总结如表1 1 。 表l1 几种常见隔热材料的物性参数 t a b 1 1p h y s i c a lp a r a m e t e r so f s o m et h e r m a li n s u l a t i n gm a t e r i a l s 隔热材料最高使用温度 体积密度g e m 3导热系数 硅酸铝纤维 1 1 0 0 0 0 9 6 0 1 2 80 0 9 0 2 2 氧化锆纤维 2 0 0 05 8 0 1 6 o 7 5 硅酸钙6 5 00 2 5 0 0 5 0 0 6 ( 常温) 氧化铝空心球 1 8 0 0 1 2 4 1 40 5 o 9 氧化锆空心球 2 2 0 0 1 5 2 50 2 3 0 3 5 1 3 发动机隔热研究现状 8 6 0 年代起，汽车排放就成为城市环保的一个重要课题魄2 ”，到了7 0 年代，两次石 油危机又引起了提高内燃机热效率的迫切要求，环保和节能对发动机提出了越来越高的 要求。长期以来人们一直致力于研制高效节能、低排放的发动机。发动机的传热损失和 排气损失占发动机能量损失的绝大部分，是影响发动机效率的主要因素。对此，人们提 出了各种解决方案，其中，陶瓷发动机是较为流行的解决方案之一。陶瓷发动机又称低 散热发动机，其具体设想是：取消或部分取消冷却系统，使用耐高温的隔热材料( 陶瓷) 以减少燃烧室内的热量损失，使发动机在更高的工质温度下工作。由于把一部分热能转 换成活塞所作的功，因而使发动机热效率和功率显著提高。基于低热损失发动机的广阔 前景，各国纷纷投入了对陶瓷发动机的研制开发。1 9 7 8 年，美国c u m m i n s 公司的k a m o r 提出的陶瓷隔热涡轮复合发动机( 陶瓷绝热发动机) 的设想受到美国军方和能源部的支 大连理工大学硕士学位论文 持之后，吸引了不少国家和企业投入。自1 9 8 3 年以来每隔2 a 3 a 就召开一次“发动机用 陶瓷材料及部件”国际研讨会( i n t e m a t i o n 2 a ls y m p o s i u mo nc e r a m i cm a t e r i a l sa n d c o m p o n e n t sf o re n g i n e s ，简记为i s c m c e ) ，从该研讨会历届会议论文中可大体了解这一 领域的发展动向。日本五十铃汽车公司于1 9 8 1 年研制成功并批量生产了陶瓷电热塞，又 研制成功了陶瓷隔热复合式发动机，至此陶瓷隔热发动机发展达到顶峰，至f 8 0 年代后期， 人们对陶瓷隔热发动机的兴趣普遍减弱，这不仅是因为当时气缸内陶瓷部件( 活塞顶、 缸盖底板及气缸套等) 时常发生开裂且成本很高，而且得不到期望的节油和降低排放的 效果，甚至有反效果出现。一些研究者在8 0 年代后期转两研s u z r 0 2 陶瓷涂层隔热的低散 热发动机，但是也达不到降低油耗和改善排放的目标o ”。到9 0 年代初期对陶瓷隔热发动 机的研究已几乎中断，只有日本五十铃公司仍坚持研究，据该公司报告”2 “，它采用陶 瓷件加空气隙的“热水瓶”式燃烧室隔热结构，虽然在直喷式柴油机上没有取得成功 ( n o x 排放恶化和燃油消耗率增大) ，但1 9 9 5 年在一台预燃室式柴油机上获得了节油5 1 0 ，n o x 和h c 排放低于原水冷机，并可取消水冷却系统的结果，在缸内陶瓷件 可靠性及降低成本上也取得了显著进展。 与上述2 0 年来在陶瓷隔热发动机整机研制上由热变冷，且至今仍未超出实验室研 究阶段的情况不同，在现有的汽车发动机上应用陶瓷零部件来达到减轻质量、隔热以及 耐磨等各种目的的努力却始终未衰，并从8 0 年代后期起成为陶瓷材料在热机上应用的 主流方向“”o ”。这方面的成果己超出了实验室的研究阶段，先后有多种陶瓷零部件己 大批生产，其中包括：加热元件，如陶瓷起动电热塞和陶瓷进气预燃器加热塞：耐热件， 如陶瓷涡流燃烧室镶块和陶瓷排气控制阀：耐磨件，如陶瓷摇臂镶块、陶瓷挺杆、陶瓷 凸轮从动件滚轮以及陶瓷喷嘴针阀；轻量件，如陶瓷增压器涡轮转子等。这些已商品化 的陶瓷件年产量少则几十万件，多则几百万件。目前还有一批陶瓷件，如陶瓷气门和陶 瓷活塞销等正在研究开发中”1 。 通过对发动机零部件隔热( 如燃烧室零件、缸盖排气道和摊气管) 可降低散热量， 改善机舱温度，降低油耗和排放指标，提高车用柴油机功率及可靠性。由于气缸盖排气 道侧经常受到高温排气的“热冲刷”，温度比较高，而由进气道进入气缸的新鲜空气的 温度一般低于气缸盖的平均温度，对气缸盖有“冷冲刷”作用，使得进气道侧的温度较 低，这样，气缸盖由于温度分布不均匀和高温而产生的熟应力很大，在热应力的反复作 用下，气门座圈处和鼻梁区容易形成热疲劳裂纹。白敏丽老师等与清华大学合作研制了 钢壳表面喷涂z r 0 2 陶瓷隔热排气道泖1 ， 了排气能力，从而使废气涡轮效率提高 降低了发动机气缸盖的热负荷和热应力，提高 达到了增加标定功率的目的。 隔热材料导熟系数预测及其在发动机排气管隔热中的应用 发动机排气管隔热可以提高发动机效率，改善操作人员工作环境，增强特种车辆的 隐蔽性。从目前国内外研究现状来看，俄罗斯车用发动机采用双层金属排气管气隙隔热， 并加装金藩挡板，使用可靠性高，但隔热效果不太理想，而且排气管加工难度增大，发 动机体积和质量增加；德国m t u 公司的3 9 6 系列柴油机在排气系统外罩一个冷却水套， 可靠性高，隔热效果好，但所占空间较大，适合于船用发动机；德国e l r i n g 有限公司根 据排气管的具体形状，设计加工夹层隔热件，制造工艺复杂，成本高，但隔热效果比较 好啪1 ；国内常用的减少排气管散热的措施有采用带冷却水夹层的排气管( 使一部分循环 冷却水流经排气管水夹层，从而降低排气管自身的温度) 和在排气管外面包裹陶瓷纤维 棉和石棉隔热层两种方法。8 0 年代中期以来，清华大学在“八五”期间用一种铝硅酸盐 体系的无机聚合物陶瓷外包管套取得了很好的效果”。为了得到理想和实用的隔热材 料，有人利用等离子喷涂技术，在发动机排气管上喷涂氧化锆隔热层口0 1 ，也有人利用自 蔓延技术在排气管内部烧成陶瓷层以达到隔热目的。近年来还报道了利用空心氧化锆纤 维材料的无机复合隔热层技术o “。 1 4 本文研究内容 从国内外的研究现状来看，虽然硅酸铝纤维等隔热材料能够满足一定的生产实践要 求，但随着空间技术的发展，寻找具有更低导热系数，具有高温甚至超高温使用条件并 且环保的隔热材料及合理的设计方案仍然是热防护领域重要的课题，因此本文在阅读大 量文献的基础上，选择隔热性能非常好的氧化锆空心球作为填充材料，耐高温金属薄壳 包覆作为支撑结构，抽真空进一步降低其导热系数；对其导热系数进行预测和分析，隔 热材料导热系数的预测目前大多数采用理论模型预测和实验测量的方法，因为理论模型 的不确定性和实验测量的繁琐性，本文对氧化锆空心球材料进行合理的简化，用s t a r c d 流体计算软件对氧化锆空心球隔热材料的导热系数进行数值模拟计算，并对气孔率，温 度、真空度等影响因素进行分析，减少了投入的人力、物力，并为具有类似结构的材料 的导热性能的研究提供了一个可参考的方法；最后在发动机排气管上应用此氧化锆空心 球材料，分析隔热层厚度等影响因素对隔热效果的影响，得出最佳隔热方案。因此，本 文的研究内容如下： ( 1 ) 阅读大量文献，了解现有隔热方式、隔热材料及隔热材料导热系数预测方法， 总结隔热方式、隔热材料国内外研究现状，在此基础上，提出提高隔热材料性能的途径， 选择隔热性熊优良并且具有发展前景的氧化锆空心球隔热材料进行分折； ( 2 ) 对导热系数预测方法进行综述，介绍各种理论模型及其应用范围，选择一种适 合氧化锆空心球隔热材料微观几何结构的模型； 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 用选择的理论模型预测氧化锆空心球隔热材料的导热系数，分析气孔率、气孔 尺寸以及抽真空对隔热材料导热系数的影响； ( 4 ) 利用c f d 软件s t a r - - c d 对氧化锆隔热材料传热过程进行数值模拟，并计算其导 热系数，建立了数值模拟的物理模型和数学模型，全面系统的分析球壳物性、空心球尺 寸、气孔率、对流、导热、辐射等对导热系数的影响，并提出对导热、对流、辐射热的 控制方法； ( 5 ) 针对膨胀珍珠岩，比较理论模型、数值模拟与实验测量结果，分析理论模型和 数值模拟方法的准确性和适用范围： ( 6 ) 将上述研究结果应用于发动机排气管隔热，用s t a r - c d 软件对氧化锆空心球隔热 材料在发动机排气管上的应用效果进行数值模拟分析，建立数值模拟的物理模型和数学 模型，分析隔热材料厚度、隔热材料导热系数、空气层( 真空层) 等对排气管外表面温 度分布的影响，分析各种隔热方案的隔热度，选择最佳隔热方案，为隔热方案的研究奠 定理论基础。 隔热材料导热系数预测及其在发动机排气管隔热中的应用 2 隔热材料与隔热材料导热系数预测概述 2 1 隔热材料隔热机理 凡有温度差，就有热量自发地由高温部分传递到低温部分。在自然界和生产过程中， 到处存在着温度差，因此传热是自然界和生产领域中非常普遍的现象。毫无疑问热量传 递过程中的方式和快慢对于提高生产效率和能源的利用率有着特别重要的作用。 热是一种能量，它与组成材料的分子、原子、电子等的运动密切相关。所有物质的 热现象，都是物质内部粒子相互碰撞、传递和运动的结果。根据物质结构和热传递机理 的不同，人们提出了分子( 原子) 、电子、声予和光子导