哈尔滨工业大学博士研究生于海燕和其导师张昊春教授与山东高等技术研究院的吴小虎副教授合作，回顾并总结了近年来微纳米多孔聚合物材料的等效热导率计算模型的建立过程和适用条件，在中科院二区期刊Frontiers of Physics上发表了评论文章。本研究可为纳米多孔聚合物材料在建筑物隔热层，辐射制冷装置，能量调节织物等节能装置中的应用提供了普适的理论依据和设计指导。
论文信息：
Haiyan Yu, Haochun Zhang, Jinchuan Zhao, Jing Liu, Xinlin Xia, and Xiaohu Wu. The thermal conductivity of micro/nano-porous polymers: prediction models and applications, Frontiers of Physics, 2022, 17(2), 23202. (in press).
通讯作者：哈尔滨工业大学 核科学与工程系主任 张昊春教授（hczhang@hit.edu.cn）
论文链接：http://arxiv.org/abs/2108.02445
https://doi.org/10.1007/s11467-021-1107-4
如今，化石燃料的日益枯竭和全球环境问题的日益严重，探索新型节能环保材料对经济社会的可持续发展至关重要。随着近年来小尺度精密制造等加工工艺的蓬勃发展，兼具质轻、高表面积和极佳隔热性能的微纳米级多孔聚合物材料为解决这一问题提供了可能。因此，建立精确的等效热导率模型为微纳米多孔聚合物在节能装置中的应用提供了重要的理论依据。
图1 微纳米多孔材料的导热特性及其潜在应用示意图
由此本文回顾并总结了近年来微纳米多孔聚合物材料的等效热导率计算模型的建立过程和适用条件。由于在开孔孔径小于2毫米和闭孔孔径小于4毫米的情况下，可以忽略热对流项。因此为了便于分析微纳米多孔聚合物的传热特性，本文假设微纳米多孔聚合物的传热过程主要由热传导和热辐射两部分组成，如图2所示。接下来将从微纳米多孔聚合物材料的等效热传导热导率和等效热辐射热导率两部分的预测模型分别展开介绍。
图2 微纳米多孔材料等效热导率计算流程图
在等效热传导热导率预测模型的构建过程中，通常先根据不同的工况和材料结构选取合适的气相等效热导率和固相等效热导率的计算模型，然后将其带入气固耦合模型求解热传导等效热导率。本文详细讨论了四类常见的气固耦合计算模型的简化假设和适用范围，分别为：(1) 经验模型方法；(2) 等效热阻法（如图3所示）；(3) 等价分形法；(4) 数值模拟方法。需要注意的是，在选择固相等效热传导模型和气固耦合模型时，应避免重复考虑气固交界面的影响。
图3 多孔材料的简化模型的热传导等效热导率推导过程的示意图[：(a)闭孔模型；(b)开孔模型；(c)孔壁结构示意图
在等效热辐射热导率预测模型的构建过程中，由于聚合物材料内部的辐射传热属于介质辐射，因此当入射辐射能进入聚合物材料内部时，材料会产生吸收或散射等衰减效应。本文介绍了现阶段常用的四种等效热辐射热导率的计算模型，分别为：(1) 直接求解辐射传输方程法；(2) 忽略某些物理过程方法；(3) 光学厚近似方法；(4) 微尺度修正法（如图4所示）。与相对成熟的热传导等效热导率的计算模型相比，微纳米多孔聚合物的等效热辐射热导率计算模型仍然具有很大的发展潜力。特别是在具有较高孔隙率和较小孔径的微纳米多孔聚合物材料中，等效热辐射热导率在总的等效热导率中所占比重更大。因此完善和发展微纳米多孔聚合物的热辐射等效热导率的计算模型具有重要意义。
图4 热辐射通过具有多层的材料传播行为的示意图：(a)单一膜模型。(b)一组由一层反射吸收薄膜和两个纯吸收薄膜组成的模型。(c) n组三层薄膜单元夹在一个热黑体板和一个冷黑体板之间的情况
综上，与其他多孔材料相比，微纳米多孔聚合物材料的等效热导率的研究较少，尤其是以下三个方面仍具较大研究潜力：
(1) 微纳米多孔聚合物传热过程中的尺寸效应等对热辐射等效热导率的定量研究；
(2) 纳米尺度开/闭孔聚合物材料结合实际复杂形貌的传热特性研究；
(3) 微/纳米多孔聚合物的传热机理及影响因素研究。
通过选取合适的等效热导率计算模型，分析影响传热性能的各种因素能使，微纳米多孔聚合物这一高效的隔热材料更好的在能量转换和利用系统中发挥作用。
作者介绍
于海燕，哈尔滨工业大学本硕博，多伦多大学联合培养博士，中国核学会会员，主要从事微尺度热辐射、微尺度热力学、多孔材料及辐射制冷装置、反应堆热工水力计算等方面的研究。截至目前在Energy, Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer等SCI期刊发表论文12篇、EI期刊论文5篇，软件著作权一项，研究成果曾获ASME微纳米传热传质最佳论文奖，ES Energy & Environment 最佳论文奖和中国核学会年会最佳论文奖。
联系方式：yuhaiyan22@foxmail.com
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