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Thermal conductivity analysis of natural fiber-derived porous thermal insulation materials

热导率 材料科学 保温 热传导 传热 多孔性 复合材料 纤维 自然对流 热的 多孔介质 天然纤维 热力学 物理 图层(电子)
作者
Xing-Rong Lian,Lin Tian,Zeng-Yao Li,Xinpeng Zhao
出处
期刊:International Journal of Heat and Mass Transfer [Elsevier]
卷期号:220: 124941-124941 被引量:45
标识
DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.124941
摘要

Natural fibers, derived from plants such as wood, hemp, straw and cotton, have been explored for the fabrication of porous structures for thermal insulation applications due to their widespread availability, sustainability, and cost-effectiveness. Understanding the fundamental heat transfer mechanisms within natural fiber-derived porous structures is crucial for both optimized geometric design and real-world insulation applications. Herein, we developed a theoretical framework considering geometric parameters, including pore size, fiber diameter and porosity (i.e., density), to examine the contribution of various heat transfer modes (i.e., conduction, convection, and radiation) on the effective thermal conductivity of porous structures derived from natural fibers. Our results indicate that thermal radiation is largely responsible for the rapid increase in effective thermal conductivity of the natural fiber-derived porous insulations in low-density regions (< 50 kg/m3) and that natural convection rarely occurs within these materials. The insulation materials derived from natural fibers with diameters in the micron range (5–50 μm) can achieve their minimum thermal conductivity at an optimal density of 50–90 kg/m³. Effective strategies to lower the effective thermal conductivity of natural fiber-derived porous materials include increasing porosity to curtail solid conduction, incorporating nanoscale pores by using nanosize fibers to diminish gaseous thermal conductivity. This research offers valuable insights into the heat transfer mechanisms in natural fiber-derived materials and should guide the structural design and optimization process toward developing super-thermal insulation materials derived from natural fibers.
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