空心微球对隔热涂层导热性能的影响

蒋晓军 1 , 黄长庚 1 , 叶　宏 2 , 连长春 1

    (1. 总装备部工程兵科研一所 , 无锡 214035; 2. 中国科学技术大学 , 合肥 230026)
 
 
　　摘　要 : 以空心微球开发高品质隔热涂料已引起广泛关注。本文利用传热学基本理论 , 探讨了空心微球的结构特性与体积分数对隔热涂层导热性能的影响 , 提出了隔热涂层表观导热系数的数学式 , 进行了实验验证。结果表明 : 该数学模型可用于指导隔热涂料的配方设计以及空心微球的结构优化。

    关键词 : 空心微球 ; 隔热涂层 ; 导热系数 ; 数学模型

    0 　引　言

    隔热涂料是一类通过在目标表面形成连续的、具有一定强度的涂层来调节表面的热平衡温度 , 满足隔热、保温等热控要求的特种功能性涂料。近年来 , 国内外以空心微球为主要隔热填料开发轻质、薄层、高效隔热涂料已成为这一领域的热点。

    空心微球是研究隔热涂层传热行为与涂料配方设计的基础 , 它不仅涉及空心微球自身的结构与形貌特性以及固相导热、气相导热、辐射传热等传热因子 , 而且涉及空心微球在涂层中的分布状态与体积含量。在隔热涂料配方设计中 , 若以大量的实验来确定空心微球的种类与最佳体积分数无疑需要耗费大量的时间。若能在理论上解决空心微球对隔热涂层表观导热系数的影响及变化规律 , 以此来指导隔热涂料配方设计与性能优化 , 将具有实际价值。

    1 　理论计算

    隔热涂层是一类有气孔材料 , 洛勃模型 ( 图 1) 将有气孔材料简化为由呈分散相的气孔和呈连续相的基体两相组成 , 较为精确地提出了有气孔材料表观导热系数与气孔分布相互关系的数学关系 [ 1 ] 。

    借鉴洛勃模型的思路 , 以均匀分布、大小和形状相同且排列规则的空心微球代替气孔。由于空心微球不是单纯的气孔 , 而是由微球内部的气体 ( 如空气、 N 2 或 CO 2 ) 和固相外壳组成 , 因此必须要有一个能够体现空心微球结构与组成的导热系数λ e 来代替原有洛勃数学模型中气孔热导系数λ g , 由此可将洛勃公式调整为 :

    式中 : λ为隔热涂层表观导热系数 , λ b 为涂层基体的导热系数 , λ e 为空心微球微观导热系数 , P L 为与热流平行方向上空心微球所占的长度百分数 , P S 为与热流方向垂直的横截面上空心微球所占的面积百分数。

    1. 1 P L 、 P S 与空心微球体积的关系

    在隔热涂层的一个单位立方体内 , 设空心微球的平均粒径为 d, 则每个边长 ( 即单位长度 ) 上空心微球的个数 n e 为 :

    单位立方体内空心微球所占的体积 V 为 :

    分别将式 ( 2 ) 、 ( 3 ) 代入式 ( 4 ) , 可得 :