中國粉體網(wǎng)9月29日訊  二氧化硅氣凝膠是由極小直徑（2-10nm）的納米二氧化硅顆粒以及彌散的納米孔（直徑1-100nm）構(gòu)成的多孔材料，這種獨特的結(jié)構(gòu)使其熱導(dǎo)率可以低至0.01-0.02w/m·k量級。另外氣凝膠還有著密度小、電導(dǎo)率低和半透明的物理特點，使其成為理想的絕熱材料，從航天航空到低溫物理，都有著廣泛的運用。

    目前，國際范圍內(nèi)氣凝膠熱物性已有詳細(xì)的實驗表征數(shù)據(jù)，其熱導(dǎo)率隨溫度和密度的依賴性也已獲得。但是由于氣凝膠結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，對其微觀導(dǎo)熱機制的揭示仍不夠完善。另外，現(xiàn)有針對熱導(dǎo)率的估算模型皆通過實驗結(jié)果擬合成經(jīng)驗公式獲得，雖已實現(xiàn)工程應(yīng)用，但是表達式中經(jīng)驗參數(shù)較多，無法滿足對其熱性能進行精準(zhǔn)調(diào)控。2009年，swimm等人通過實驗研究發(fā)現(xiàn)在一定氣壓下，氣凝膠總有效熱導(dǎo)率與zeng理論預(yù)測值有著不可忽視的差異，他們猜測兩相鄰二氧化硅顆粒接觸處的氣體在一定壓強條件下與固體界面形成導(dǎo)熱耦合作用，從而造成了這一差異。但是這一解釋是否合理還沒有證實。

    近日，中國科學(xué)院工程熱物理研究所傳熱傳質(zhì)研究中心科研人員針對這一微觀熱輸運現(xiàn)象進行了較深入研究。科研人員選取相接觸的兩氣凝膠顆粒為基本傳熱單元（200nm×100nm×100nm），通過分子動力學(xué)模擬方法獲得了不同接觸長度比例和缺陷濃度條件下傳熱單元的熱阻（0.1~0.4k/gw），發(fā)現(xiàn)當(dāng)接觸長度比例 cs降到0.5以下，或缺陷濃度φn達到40%以上時，熱傳遞受到了極大的抑制。研究進一步從微觀機理角度揭示了產(chǎn)生的原因： cs的降低和φn的升高都影響了低頻縱向聲學(xué)支，從而降低了原子熱擴散的能力。另外，研究獲得了缺陷濃度的分布和相關(guān)溫度范圍內(nèi)缺陷的擴散性質(zhì)。結(jié)果表明經(jīng)過加熱/冷卻過程后，大部分缺陷尺度集中在2~16å 3的范圍；在2ev/ps的熱流下，整個系統(tǒng)的平均溫度保持在400k以下，缺陷尺度分布并沒有發(fā)生變化，也沒有觀察到缺陷的擴散，跟實際的情況相符，增加了模擬預(yù)測的可靠性。該工作為后續(xù)氣固傳熱耦合研究及將來拓展至跨尺度模擬提供了研究方法和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

    上述工作得到了國家自然科學(xué)基金重點項目（51336009）、國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（“973”）的支持。研究結(jié)果已在美國物理學(xué)會旗下的應(yīng)用物理領(lǐng)域國際期刊 journalofappliedphysics，2014，116（9）:093503上發(fā)表。