工程热物理所气凝胶微观热输运机理研究获进展

　　二氧化硅气凝胶是由极小直径（2-10nm）的纳米二氧化硅颗粒以及弥散的纳米孔（直径1-100nm）构成的多孔材料，这种独特的结构使其热导率可以低至0.01-0.02 W/m · K量级。另外气凝胶还有着密度小、电导率低和半透明的物理特点，使其成为理想的绝热材料，从航天航空到低温物理，都有着广泛的运用。

　　目前，国际范围内气凝胶热物性已有详细的实验表征数据，其热导率随温度和密度的依赖性也已获得。但是由于气凝胶结构十分复杂，对其微观导热机制的揭示仍不够完善。另外，现有针对热导率的估算模型皆通过实验结果拟合成经验公式获得，虽已实现工程应用，但是表达式中经验参数较多，无法满足对其热性能进行精准调控。2009年，Swimm等人通过实验研究发现在一定气压下，气凝胶总有效热导率与Zeng理论预测值有着不可忽视的差异，他们猜测两相邻二氧化硅颗粒接触处的气体在一定压强条件下与固体界面形成导热耦合作用，从而造成了这一差异。但是这一解释是否合理还没有证实。

　　近日，中国科学院工程热物理研究所传热传质研究中心科研人员针对这一微观热输运现象进行了较深入研究。科研人员选取相接触的两气凝胶颗粒为基本传热单元（200 nm×100 nm×100 nm），通过分子动力学模拟方法获得了不同接触长度比例和缺陷浓度条件下传热单元的热阻（0.1~0.4 K/GW），发现当接触长度比例Cs降到0.5以下，或缺陷浓度φn达到40%以上时，热传递受到了极大的抑制。研究进一步从微观机理角度揭示了产生的原因：Cs的降低和φn的升高都影响了低频纵向声学支，从而降低了原子热扩散的能力。另外，研究获得了缺陷浓度的分布和相关温度范围内缺陷的扩散性质。结果表明经过加热/冷却过程后，大部分缺陷尺度集中在2~16 Å3的范围；在2 ev/ps的热流下，整个系统的平均温度保持在400 K以下，缺陷尺度分布并没有发生变化，也没有观察到缺陷的扩散，跟实际的情况相符，增加了模拟预测的可靠性。该工作为后续气固传热耦合研究及将来拓展至跨尺度模拟提供了研究方法和基础数据。

　　上述工作得到了国家自然科学基金重点项目（51336009）、国家重点基础研究发展计划（“973”）的支持。研究结果已在美国物理学会旗下的应用物理领域国际期刊Journal of Applied Physics，2014，116（9）: 093503上发表。

图1 (a)含缺陷的相邻二氧化硅颗粒模拟单元, (b)等效立方单元, (c)单元侧视图。

图2 (a)热流方向不同接触长度下无量纲温度分布, T0=300 K, a=100 Å, (b)不同固相导热路径分数下的总热阻, (c)不同接触长度比例(Cs)时总热阻中两相邻粒子接触热阻所占分数, (d)热流方向不同缺陷浓度下无量纲温度分布, T0=300 K, a=100 Å, (e)不同缺陷浓度下的总热阻, (f)不同缺陷浓度(φn)时总热阻中两相邻粒子接触热阻所占分数。

图3 (a)不同时间步长下缺陷的分布, (b)-(d)不同时间步长下缺陷尺寸分布。