玻璃微珠壁厚對水泥基復合材料導熱系數的影響

侯 風 黨亞倩

(鄭州工業應用技術學院 河南 鄭州 450000)

玻璃微珠壁厚對水泥基復合材料導熱系數的影響

侯 風 黨亞倩

(鄭州工業應用技術學院 河南 鄭州 450000)

本文依據熱傳導理論及有限單元法，通過建立中空玻璃微球填充水泥復合材料的有限元模型，利用有限元法來研究其熱行為。通過設定模型邊緣的溫度條件，采用有限元軟件ABAQUS模擬二維單元的熱傳遞。研究了微珠壁厚對復合材料有效熱導率的影響。數值計算結果表明，當中空玻璃微珠的體積分數、水泥基體導熱系數、微珠導熱系數一定時。微珠水泥基復合材料的等效導熱系數Keff隨著微珠壁厚的增大而呈線性的增大。

中空玻璃微珠；水泥基；復合材料；熱學性能

一、簡介

水泥基材料具有良好的使用性能、加工性能、價格優廉、易就地取材等特點，是一種應用廣泛的建筑材料之一，但是水泥材料的導熱系數比較大，保溫性差。中空玻璃微珠是一種內含惰性氣體具有導熱系數低、隔熱性能好、耐高溫、密度低等優點。預想將中空玻璃微珠填充到水泥中來有效的降低復合材料的導熱系數。等效導熱系數是衡量材料隔熱性能的重要參數之一。本文研究的重點是考察中空玻璃微珠填充水泥中形成復合材料。通過有限元分析軟件來研究中空玻璃微珠壁厚的變化對復合材料的導熱系數的影響。

二、有限元分析模型

假定微珠在水泥基體中呈空間均勻分布，建立一個單元傳熱的幾何模型。中空玻璃微珠水泥基復合材料屬于三元復合體系，即水泥基相、微珠壁相和惰性氣體相。熱量自外傳入水泥基，當遇到中空玻璃微珠的時候，由于其導熱系數非常小，小部分熱量通過玻璃微珠傳導，而大部分熱量則繞過玻璃微珠傳遞。由于玻璃微珠的導熱系數非常小，微珠內含有惰性氣體，熱量在微珠水泥基復合材料中的傳熱路徑變長并且復雜化，從而導致微珠水泥基復合材料的導熱性能下降，增強了微珠水泥基復合材料的隔熱性能。圖一顯示了熱量在微珠水泥基復合材料中的傳熱路徑。因此，由圖一可以看出熱量在玻璃微珠水泥基復合材料傳遞路徑主要有三種：(1)水泥基材料與微珠球壁的熱傳導;(2)微珠球壁與惰性氣體的熱傳導；(3)熱量沿著微珠球壁表面的熱傳導。

圖一：微珠水泥基復合材料熱量傳遞路徑

玻璃微珠為中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司產品，H-60型，粒徑范圍2～76um，密度為0.6099g/cm3。假定微珠在水泥基材料中均勻分布，且處于一個傳熱單元的中心，則可建立復合材料中一個傳熱單元的幾何模型。該幾何模型是正方形。把正方形作為水泥基，以圓心位于正方形中心的圓作為玻璃微珠的內部的惰性氣體。以一圓環作為玻璃微珠的球壁。對于穩態傳熱，一般只需要定義各材料的導熱系數。輸入相關的熱學參數，材料一為水泥基體，導熱系數為0.1465；材料二為玻璃微珠球壁導熱系0.17934材料三為玻璃微珠內部的惰性氣體，導熱系數為0.0228。

(1)

其中R為玻璃微珠的內徑，b為正方形的邊長，ф為玻璃微珠填充水泥基的體積分數。

根據玻璃微珠填充水泥基的體積分數，由公式(1)推算出單元的邊長，由幾何模型的尺寸數據，輸入到abaqus創建幾何模型。熱量自左而右的傳遞。左面施加邊界條件，施加溫度荷載30℃，右面施加邊界條件，施加溫度荷載20℃，上下兩邊界設為絕熱邊界條件。

三、數值分析

(一)溫度場

使用abaqus進行求解，然后進入后處理器，繪制幾何模型傳熱單元的溫度云圖，如圖二所示。溫度云圖更加形象、客觀的說明了幾何模型單元的溫度場的分布。從圖二可以看出來中玻璃微珠內的溫度變化比微珠外快。為了真實的反映模型單元中熱量流動的方向和大小，用abaqus軟件繪制出單元內的熱流矢量圖，如圖三所示。箭頭的方向表示熱流的方向，箭頭的長短表示熱流的強弱。從圖三可以看出來，熱量遇到了中空玻璃微珠后被分流了，大部分熱量沿著玻璃微珠球壁流動，小部分進入了玻璃微珠內部進行流動。

圖二：溫度云圖

圖三：單元內熱流矢量圖

(二)玻璃微珠壁厚的變化對復合材料導熱系數的影響

型號為H60的中空玻璃微珠，在填充體積分數為30%不變的情況，熱學參數和邊界還同上述的一致的條件下，玻璃微珠的壁厚分布為1.1095mm，1.2095mm,1.3095mm，1.4095mm,1.5095mm時，運用同樣的方法分別作出幾何模型，劃分網格并求解，計算出相應的等效導熱系數。

四、結論

當中空玻璃微珠的體積分數、水泥基體導熱系數、微珠導熱系數一定時。微珠水泥基復合材料的等效導熱系數Keff隨著微珠壁厚的增大而呈線性的增大。

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侯風，鄭州工業應用技術學院，研究領域：水泥基復合材料；黨亞倩，鄭州工業應用技術學院，助教，研究領域：巖土工程。