基于微观结构的气凝胶热导率研究(3)
硅气凝胶可以在较大的温度范围中使用。常温常压下气凝胶的导热率最小可达到
0.012w/m/K,在真空条件下高达 0.001w/m/k,具有非常优秀的隔热能力，并且具有高透明度。
因此气凝胶被广泛应用于制作各种特殊的隔热材料。硅气凝胶也可以作为太阳能板中的隔热
材料，可以防止热量散失。同时由于气凝胶是世界上最轻的材料，它可被用于飞行器隔热。
一方面，气凝胶不会增加过多质量减少了飞行成本，同时它具有较高的强度，另一方面气凝
胶有优秀的隔热性能可以有效地提高隔热效果。
（4）其他方面的应用
气凝胶的介电常数在固体材料中极低，有望用于制作大型集成电路的底板材料；同时气
凝胶也是一种理想的声阻材料，可以制作隔音保温窗；硅气凝胶本身也可以作为催化剂，并
且由于良好的吸附性，也可以作为其他催化的载体；此外还可以应用于医学、化妆品和农业中。 1.3 本文主要研究内容
本文分析了几种气凝胶模型根据气凝胶的结构特点，基于 QSGS 方法[8]
使用 MATLAB 建立
了合理的气凝胶微观结构模型，并运用格子 Boltzmann 方法[9]
求解温度场计算气凝胶的等效热导率。通过分析数值计算结果和借助软件生成结构温度场，研究气凝胶内部结构和外部环
境对气凝胶隔热性能的影响
研究内容主要有：
(1)对比介绍不同的气凝胶随机微观结构生成法，并提出本文使用的三文随机生长方法。详
细说明该方法的生成过程并使用该方法生成几个气凝胶微观结构模型，并介绍使用MATLAB编
写的部分核心代码。
(2)说明本文所使用的格子Boltzmann方法和计算过程所使用的气凝胶气固相导热系数和等
效热导系数方程式。
(3)研究气凝胶骨架结构对气凝胶等效热导率的影响：通过 QSGS 方法，随机三文生长方法
分别生成骨架不完全连通模型与骨架全连通模型，并与颗粒性气凝胶模型进行对比。通过生
成83-95%孔隙率下的气凝胶微观结构， 并进行数值模拟计算， 生成气凝胶等效热导率变化图。
对结果进行分析讨论，得出气凝胶骨架结构对气凝胶等效热导率的影响。
(4)研究随机三文生长方法中网格数对模拟计算的影响：使用随机三文生长方法生成网格边
长为别为 15、20、30 和 40 的不同孔隙率（83-95%）下的气凝胶微观结构模型，对生成的模
型进行数值模拟计算，对计算结果进行分析讨论，并选取合适网格数作为后续工作的使用的
气凝胶模型。
(5)研究气凝胶孔隙率对隔热性能的影响：使用本文提出的模型生成法，生成 83-97%孔隙率
的气凝胶微观结构模型，通过格子 Boltzmann 方法分别计算等效热导率和气相热导率，根据
数值计算结果分析气凝胶孔隙率对等效热导率的影响。
(6)研究外部环境温度、气压对隔热性能的影响：使用 83%孔隙率的气凝胶微观结构模型，
通过改变温度和气压，分别计算不同温度和气压情况下气凝胶的气相热导率和等效热导率，
并绘制为图标分析其变化的规律。
(7)提炼工程关系式：结合数值计算结果和分析，在气凝胶等效热导率方程式的基础上分别
计算不同情况下的方程式系数，通过分析结果提炼出工程关系式，并以此工程方程式计算其
他情况下的气凝胶等效热导比较与数值模拟计算而得误差， 从而验证改工程关系式是否合理。
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