● 摘要
空心球结构是一类新型隔热材料，在航空、航天、汽车等领域具有广阔发展前景。目前对于空心球结构材料的研究多在于对其制备、机械力学性质的研究，在传热能力方面的研究报道较少。在传热性能方面，对于空心球结构材料的主要研究内容是对其等效导热系数的探讨，包括对其数值的预测以及相关影响因素的分析等，旨在得到有效预测材料隔热能力的模型以及探究热导率更低的结构等。
本文采用理论计算模型以及有限元模型方法对无机空心球结构复合材料以及金属SBHSS、SHSS材料的隔热性能进行了研究。
对于无机空心球结构复合材料，在前人所建基本单元体的串联模型基础上，建立了其基本单元体的并联计算模型。另外，建立了材料的Maxwell计算模型。同时，应用有限元方法在前人所建材料的有限元模型基础上，采用增加热流方向上基本单元体的方法，对模型的建模范围进行了改进。而后，为了探讨上述三种模型对于材料等效导热系数预测的精度，将它们与前人所得数据结果进行了对比分析。结果表明，并联模型与前人所建的串联计算模型及实验测量结果最为接近；改进后的有限元模型提高了有限元模型对于材料等效导热系数的预测精度。另外，Maxwell计算模型对于无机空心球结构复合材料等效导热系数的预测结果与数值模型的预测结果吻合较好。最后，利用并联理论计算模型与数值模型分析了材料等效导热系数的影响因素。研究结果表明，通过增加空心球的填充效率、降低球壳壁厚以及减小空心球壳热导率的方法能够提高无机空心球结构复合材料的隔热能力。
对于金属SBHSS、SHSS材料，分别采用比例关系式以及Maxwell计算模型预测了材料的等效导热系数。同时，建立了材料的有限元模型。分别利用理论计算模型与有限元模型分析了相关因素对于两种结构材料等效导热系数的影响，并且将两种方法的计算结果进行了对比。结果表明，对于SBHSS材料，采用减小球壳相对厚度、降低球壳热导率、增加空心球体积分数、减小空心球体间的接触面积等方法可以获得热导率更低的SBHSS材料。对于SHSS材料，减小壁厚、降低球壳热导率、增加空心球间距离等途径可以达到降低金属SHSS材料热导率的目的。另外，理论计算模型与有限元模型的计算结果对于各影响因素变化规律一致，在数值上存在微小差异。