北科冯妍卉&邱琳Applied Thermal Engineering：孔尺寸的不均匀性显著降低多孔绝热材料的热导率

【亮点】

• 首次揭示了孔径不均匀性的定量降解效应。
• 提出了适应性界面传感器技术以确保精确测量。
• 比较了充足的传热模型，以提取不均匀性效应。
• 这项研究为开发超级热绝缘体提供了新的研究思路。

【引言】

已有研究证明在均匀孔径的多孔材料体系中，材料的密度或孔隙率会对材料的热输运能力发挥关键作用。为了生产超级绝热材料，研究人员已经追求材料的高孔隙度长达数十年。最近有研究阐明了如何通过引入不均匀的孔洞进一步降低材料热运输。报道指出，由于多尺度孔径引起热传播路径曲折导致热输运性能劣化，因此与具有均匀孔隙度的对照物相比，非均匀孔径和低孔隙分布会导致多孔介质的晶格热导率显著降低。此外，对垂直排列的碳纳米管阵列的研究显示出不均匀直径和长度的分布会诱导声子散射概率增加及不匹配，能有效降低热导率。从微观角度来看，多孔陶瓷材料结构可以简化为三维立方细胞晶格，微晶界面间的导热系数会对整体的热传输起主导作用。通过实验可以进一步证实界面导热系数较高的青铜颗粒会显著提高烧结多孔青铜材料的导热性。不均匀的孔径会大幅限制材料系统中的热传递，因此相关研究人员正努力揭示孔径不均匀性对热量传输产生影响的机制，并设计导热系数较低的通用多孔材料。

【成果简介】

北京科技大学邱琳副教授（第一作者），冯妍卉教授（通讯作者）团队研究了不均匀孔径对多孔绝热材料的影响，在Applied Thermal Engineering上发表了题为“Inhomogeneity in pore size appreciably lowering thermal conductivity for porous thermal insulator ”的文章。该工作定量评估了孔径的不均匀性，以解释多孔材料体系中导热系数的减小。通过自行开发的适应性界面热传感器技术，准确表征了一系列孔隙均匀的微孔泡沫的热导率，研究表明孔隙率的演化趋势与典型的均相模型吻合较好。为了与均匀材料进行比较，邱等人通过耦合三维层析成像和有限元方法计算了非均质多孔材料的导热系数。由于构造孔径分布的不均匀性，研究报道的表观导热率降低达13.5％。此外，当孔隙度接近非常高的值时，均质和非均质模型之间的区别将显著减小，可能是由于固气界面含量增加导致。与利用高孔隙度相反，孔尺寸分布的不均匀性的发展对于进一步降低多孔绝热体的导热率可能起关键作用。该文章工作有望为超级绝热材料的研究提供新的设计研究思路。

【图文解析】

图1 用于热导率测量的AITS图像和示意图。

a，AITS在材料表面上的照片。b，测量系统示意图。c，用于校准两种类型AITS的各种标准材料导热系数测量结果，测量误差在5.9％以内。

图2制造用于热输运AITS的处理流程示意图。

图3基于AITS的3ω方法测试结构和多孔材料的测量温升数据。

a，多孔块材基于3 ω方法在不同压力下进行热特性表征。b，AITS在不同压力下的实验温升数据。

图4多孔材料的代表性合成过程和热表征实验数据。

a，RS系列PMI泡沫的合成工艺。B，不同密度RS泡沫基于AITS的3ω方法的试验测量数据。c，RS系列PMI泡沫的代表性SEM图像。

图5用于传热分析的空心立方体模型。

a，空心立方体模型的示意图。b，单元格的放大视图。c, 稳态热传导下的模拟温度分布。d，计算导热率与孔隙率的关系。

图6用于构建不均匀微结构的CT扫描成像，用于对具有不同孔隙率的RS泡沫进行传热分析。

a，重建图像以进行进一步的数据处理。b，基于我们3D模拟的平均热导率。使用 x，y和z方向的热导率值计算误差。

图7基于均匀和非均匀传热模型的RS泡沫实验和计算的导热率对孔隙度依赖性的比较。

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

【作者简介】

邱琳，女，中国科学院工程热物理所博士，美国弗吉尼亚大学博士后，北京科技大学副教授，先后于新加坡南洋理工大学、英国利兹大学开展学术访问。主要研究领域为微纳尺度热物性测量及热输运机理，钢铁行业余热回收及利用，授权国家专利16项，主持国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年项目、国家重点研发计划子课题等，参与国家自然科学基金重点项目、国家973课题、科技部重大仪器项目等。在Carbon、Appl. Therm. Eng.、Int. J. Heat Mass Tran.、Rev. Sci. Instrum..等国际知名期刊发表学术论文40余篇，文章引用300余次，兼任中国高等教育学会工程热物理专业委员会理事、第7届国际微纳技术会议（ISMNT-7）学术委员会委员、Scientific Reports期刊编委。

[作者碳材料相关研究工作]

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测试相关研究工作]

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.

本文由北京科技大学邱琳副教授，冯妍卉教授团队供稿，编辑部编辑。

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