北科馮妍卉&邱琳Applied Thermal Engineering：孔尺寸的不均勻性顯著降低多孔絕熱材料的熱導率

【亮點】

• 首次揭示了孔徑不均勻性的定量降解效應。
• 提出了適應性界面傳感器技術以確保精確測量。
• 比較了充足的傳熱模型，以提取不均勻性效應。
• 這項研究為開發超級熱絕緣體提供了新的研究思路。

【引言】

已有研究證明在均勻孔徑的多孔材料體系中，材料的密度或孔隙率會對材料的熱輸運能力發揮關鍵作用。為了生產超級絕熱材料，研究人員已經追求材料的高孔隙度長達數十年。最近有研究闡明了如何通過引入不均勻的孔洞進一步降低材料熱運輸。報道指出，由于多尺度孔徑引起熱傳播路徑曲折導致熱輸運性能劣化，因此與具有均勻孔隙度的對照物相比，非均勻孔徑和低孔隙分布會導致多孔介質的晶格熱導率顯著降低。此外，對垂直排列的碳納米管陣列的研究顯示出不均勻直徑和長度的分布會誘導聲子散射概率增加及不匹配，能有效降低熱導率。從微觀角度來看，多孔陶瓷材料結構可以簡化為三維立方細胞晶格，微晶界面間的導熱系數會對整體的熱傳輸起主導作用。通過實驗可以進一步證實界面導熱系數較高的青銅顆粒會顯著提高燒結多孔青銅材料的導熱性。不均勻的孔徑會大幅限制材料系統中的熱傳遞，因此相關研究人員正努力揭示孔徑不均勻性對熱量傳輸產生影響的機制，并設計導熱系數較低的通用多孔材料。

【成果簡介】

北京科技大學邱琳副教授（第一作者），馮妍卉教授（通訊作者）團隊研究了不均勻孔徑對多孔絕熱材料的影響，在Applied Thermal Engineering上發表了題為“Inhomogeneity in pore size appreciably lowering thermal conductivity for porous thermal insulator ”的文章。該工作定量評估了孔徑的不均勻性，以解釋多孔材料體系中導熱系數的減小。通過自行開發的適應性界面熱傳感器技術，準確表征了一系列孔隙均勻的微孔泡沫的熱導率，研究表明孔隙率的演化趨勢與典型的均相模型吻合較好。為了與均勻材料進行比較，邱等人通過耦合三維層析成像和有限元方法計算了非均質多孔材料的導熱系數。由于構造孔徑分布的不均勻性，研究報道的表觀導熱率降低達13.5％。此外，當孔隙度接近非常高的值時，均質和非均質模型之間的區別將顯著減小，可能是由于固氣界面含量增加導致。與利用高孔隙度相反，孔尺寸分布的不均勻性的發展對于進一步降低多孔絕熱體的導熱率可能起關鍵作用。該文章工作有望為超級絕熱材料的研究提供新的設計研究思路。

【圖文解析】

圖1 用于熱導率測量的AITS圖像和示意圖。

a，AITS在材料表面上的照片。b，測量系統示意圖。c，用于校準兩種類型AITS的各種標準材料導熱系數測量結果，測量誤差在5.9％以內。

圖2制造用于熱輸運AITS的處理流程示意圖。

圖3基于AITS的3ω方法測試結構和多孔材料的測量溫升數據。

a，多孔塊材基于3 ω方法在不同壓力下進行熱特性表征。b，AITS在不同壓力下的實驗溫升數據。

圖4多孔材料的代表性合成過程和熱表征實驗數據。

a，RS系列PMI泡沫的合成工藝。B，不同密度RS泡沫基于AITS的3ω方法的試驗測量數據。c，RS系列PMI泡沫的代表性SEM圖像。

圖5用于傳熱分析的空心立方體模型。

a，空心立方體模型的示意圖。b，單元格的放大視圖。c, 穩態熱傳導下的模擬溫度分布。d，計算導熱率與孔隙率的關系。

圖6用于構建不均勻微結構的CT掃描成像，用于對具有不同孔隙率的RS泡沫進行傳熱分析。

a，重建圖像以進行進一步的數據處理。b，基于我們3D模擬的平均熱導率。使用?x，y和z方向的熱導率值計算誤差。

圖7基于均勻和非均勻傳熱模型的RS泡沫實驗和計算的導熱率對孔隙度依賴性的比較。

?

文章信息：Qiu L, Zou H, Tang D, et al. Inhomogeneity in pore size appreciably lowering thermal conductivity for porous thermal insulators[J].?Applied Thermal Engineering, 2018, 130: 1004-1011.

DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2017.11.066

【作者簡介】

邱琳，女，中國科學院工程熱物理所博士，美國弗吉尼亞大學博士后，北京科技大學副教授，先后于新加坡南洋理工大學、英國利茲大學開展學術訪問。主要研究領域為微納尺度熱物性測量及熱輸運機理，鋼鐵行業余熱回收及利用，授權國家專利16項，主持國家自然科學基金面上項目、國家自然科學基金青年項目、國家重點研發計劃子課題等，參與國家自然科學基金重點項目、國家973課題、科技部重大儀器項目等。在Carbon、Appl. Therm. Eng.、Int. J. Heat Mass Tran.、Rev. Sci. Instrum..等國際知名期刊發表學術論文40余篇，文章引用300余次，兼任中國高等教育學會工程熱物理專業委員會理事、第7屆國際微納技術會議（ISMNT-7）學術委員會委員、Scientific Reports期刊編委。

[作者碳材料相關研究工作]

1.Lin Qiu, Hanying Zou, Xiaotian Wang Yanhui Feng*, Xinxin Zhang, Jingna Zhao, Xiaohua Zhang*, Qingwen Li.Enhancing the interfacial interaction of carbon nanotubes fibers by Au nanoparticles with improved performance of the electrical and thermal conductivity. Carbon, 2019, 141, 497-505.

2.Lin Qiu, Kimberly Scheider, Suhaib Abu Radwan, LeighAnn Sarah Larkin, Christopher Blair Saltonstall, Yanhui Feng*, Xinxin Zhang, Pamela M. Norris*. Thermal transport barrier in carbon nanotube array nano-thermal interface materials. Carbon, 2017, 120, 128-136.

3.Lin Qiu, Xiaotian Wang, Dawei Tang*, Xinghua Zheng*, Pamela M. Norris, Dongsheng Wen, Jingna Zhao, Xiaohua Zhang, Qingwen Li. Functionalization and densification of inter-bundle interfaces for improvement in electrical and thermal transport of carbon nanotube fibers. Carbon, 2016, 105, 248-

4.Lin Qiu, Xinghua Zheng*, Jie Zhu, Guoping Su, Dawei Tang. The effect of grain size on the lattice thermal conductivity of an individual polyacrylonitrile-based carbon fiber. Carbon, 2013, 51, 265-273.

[作者3ω測試相關研究工作]

1.Lin Qiu, Xinghua Zheng*, Jie Zhu, Dawei Tang*, Yajun Dong, Yuelian Peng. Adaptable thermal conductivity characterization of microporous membranes based on freestanding sensor-based 3ω Int. J. Therm. Sci., 2015, 89(3), 185-192.

2.Lin Qiu, Yuxin Ouyang, Yanhui Feng*, Xinxin Zhang. Note: Thermal conductivity measurement of individual porous polyimide fibers using a modified wire-shape 3ω Rev. Sci. Instrum., 2018, 89(10), 096112.

3.Lin Qiu, Dawei Tang*, Xinghua Zheng, Guoping Su. The freestanding sensor-based 3ωtechnique for measuring thermal conductivity of solids: principle and examination. Sci. Instrum., 2011, 82(4), 045106.

4.Lin Qiu, Xinghua Zheng, Jie Zhu, Dawei Tang*. Note: Non-destructive measurement of thermal effusivity of a solid and liquid using a freestanding serpentine sensor-based 3ω Rev. Sci. Instrum., 2011, 82(8), 086110.

5.Lin Qiu,Ning Zhu,?Hanying Zou, Yanhui Feng*, Xinxin Zhang, Dawei Tang*. Advances in thermal transport properties at nanoscale in China. J. Heat Mass Tran., 2018, 125, 413-433.

本文由北京科技大學邱琳副教授，馮妍卉教授團隊供稿，編輯部編輯。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱: tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenVIP.