碳基材料增强结构—功能一体化相变储能水泥基材料的研究

发布时间：2020-07-24 05:44

【摘要】：由于相变材料(Phase Change Materials,PCMs)具有储能密度大和蓄放热过程近似等温等优点,因此,它常被用于存储或者释放热能。将固-液相变材料与水泥基材料复合,可制备出结构-功能一体化相变储能水泥基材料,将其应用于建筑中,可显著提高建筑的蓄热能力,提升建筑对太阳能等可再生能源的利用效率,降低建筑能耗。但目前研究显示,由于相变材料强度低,水泥基材料在添加相变组分后,会导致相变储能水泥基复合材料的力学性能大幅度地下降。此外,由于相变材料自身导热系数较低,从而影响了相变水泥基复合材料的传热效率,影响复合材料其在建筑中的应用效果。基于提升力学性能和导热性这两个目的,本课题从制备既具有高效的相变储能功能又具有良好的力学性能的结构-功能一体化的建筑材料这一出发点,开展了以下的研究工作:(1)率先开展利用高导热性的膨胀石墨(expanded graphite)和多层石墨烯片(graphene sheets)作为定型载体材料制备兼顾力学性能的水泥基复合相变材料;(2)创新性地将不同尺度的纳米二氧化硅颗粒和宏观碳纤维复合使用,研究纳米二氧化硅和碳纤维对相变微胶囊水泥基材料的力学性能和热工性能的强化作用机理;(3)基于基材增强的目的,率先研究氧化石墨烯(graphene oxide,GO)对水泥基材料性能的强化机理,进一步探索氧化石墨烯对储能水泥基材料的力学性能和热工性能的影响规律。基于本研究的实验结果,可得到以下主要结论:(1)以多孔碳基材料(膨胀石墨和工业级多层石墨烯)作为支撑材料,以石蜡为相变材料,可制备出具有极高潜热值的定形相变材料。差示扫描分析(DSC)计算出膨胀石墨/石蜡和工业级多层石墨烯/石蜡的潜热值分别为152.8 J/g和51.84 J/g。测试结果显示,本研究所制备的定形相变材料各组分之间彼此是物理复合,无化学反应发生,并且满足热稳定性能和热可靠性的要求。(2)水泥水化热实验结果表明,在水泥中掺入多孔碳基定形相变材料不仅能有效地降低水泥水化热总量,而且还可以有效降低水化热放热速率。通过对红外热像实验结果进行分析可以得出,含有相变材料的水泥浆体的热调温性能更加突出。(3)在水泥基材料中添加石墨改性的微胶囊化相变材料后,储能水泥基复合材料的28天抗折强度和抗压强度分别下降了41%和48%。但随着纳米二氧化硅和碳纤维掺入量的增加其力学性能呈上升趋势,相对于空白组,掺入1.5%的碳纤维和2%的纳米二氧化硅后,28天的抗折强度提高了17%,而且抗压强度仅降低了20%。并且,掺入1.5%碳纤维后,储能水泥基复合材料的导热性提高了17.8%。房屋模型调温实验和红外热成像实验结果分析表明,添加碳纤维可以显著地提高储能水泥基复合材料的热交换效率,从而提高其热能储存效率和热调温效果。(4)为了增强水泥基材料的力学性能,开展了多层氧化石墨烯(GO)增强水泥基材料的相关研究。在保证氧化石墨烯在碱性环境中均匀分散的前提下,水泥基材料的力学性能与GO掺入量成正比关系。从目前的研究看,基于本研究所用的多层GO改性水泥基材料的X射线衍射(XRD)、热重分析(TGA)和固体核磁共振硅谱(~(29)Si MAS-NMR)的结果表明,GO改性水泥基材料强度的提升得益于GO促进水泥水化进程的作用,而不是GO对水泥水化产物结构改性而产生的性能提升效果。按照目前的方法,添加少量的GO对储能水泥基材料的力学性能提升不够显著,对储能水泥基材料的导热性能也没有显著影响。
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU528
【图文】：

混凝土复合材料,建筑节能,保温材料,相变

图 1-1 两种建筑节能的作用机理：(a)保温材料和(b)相变混凝土复合材料ig.1-1 Action mechanism of two kinds of energy-saving: (a) Insulation materials; (b) PCM/conomposite materials.尽管相变储能水泥基材料在建筑节能方面有较多研究，但在实际应用中，有一题：结构-功能一体化的水泥基材料与未掺相变材料的普通水泥基材料相比，度与普通水泥基材料相比均有不同程度的下降。例如，根据崔宏志等人的研究当在水泥基材料中掺入 25wt%直径为 150μm 微胶囊相变材料时，28 天的相度下降近 55%，因此，只有大幅提高基材的强度，才能制备出满足调温储能和要求的混凝土。具有高导热性和优异的力学性能的相变储能调温水泥基材料正展的方向和趋势。随着纳米科学技术的飞速发展，带动了材料领域的一场变革，也给水泥基材料来了机遇[11]。将纳米材料应用在水泥基材料中，可以减少水泥基材料原有的缺

示意图,水泥基材料,水化硅酸钙,多尺度

1-2 水泥基材料从水化硅酸钙微观结构到混凝土宏观结构的多尺度研究示意ltiscale schematic drawing of cement-based materials from calcium silicate micrrostructure材料（Nano Carbon Materials），如碳纳米管和石墨烯等，是当今、化学等交叉学科快速发展的研究领域的重要研究对象。据研究报纳米 2D 材料，它的强度是目前已知强度的材料中最高的，大约多倍[17]。因此，石墨烯可作为增强相应用于水泥基材料中，从韧性、抗拉强度的目的。并且，石墨烯的高导热性和多层性，使材料的载体材料。与石墨烯相比，氧化石墨烯（Graphene oxide化的方法在石墨烯结构上嫁接了大量的活性含氧基团，如羟基（及环氧基（-O-）等[18]（如图 1-3 所示），这些亲水基团的存在在水中分散，更容易与水泥水化产物复合形成插层复合物。这些Level III

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图 1-3 石墨烯和氧化石墨烯的结构示意图Fig.1-3 Graphene and graphene oxide structure一种纳米材料—活性纳米二氧化硅，也受到广泛科研工作者的广泛关注。表明，活性纳米二氧化硅作为高活性的火山灰质材料可与氢氧化钙发生化可以提高水泥水化速率，而且还可以改变水泥浆体的微观结构，从而使水实[20, 21]。纳米二氧化硅颗粒可以作为水化产物的晶核（结晶中心）从而

【参考文献】