三维微纳米分级孔异质相变复合体的构筑及其功能研究

发布时间：2020-07-06 07:15

【摘要】：目前,有机相变材料(主要是固-液相变材料)主要存在液态时易泄漏、导热性能低和功能性单一等缺点,大大限制了有机相变材料的广泛应用。通过开发定形复合相变材料不仅可以有效防止有机相变材料在固-液相变过程中发生泄漏,而且还可以提高相变材料的综合使用性能。因此,开发高性能的定形复合相变材料成为相变储能领域研究的重点和热点。本文基于微纳米分级多孔碳和金属有机骨架材料,综合微纳材料的尺寸效应和多孔材料的孔道特性系统研究了有机相变材料在受限的分级孔道内的纳米限域效应,开发了蓄/传热协同增强以及具有光致发光功能和热疗功能的新型多功能定形复合相变材料,为微纳米多孔材料的可控构筑、功能耦合和在热能存储领域应用提供了理论和实验依据。具体研究内容如下:(1)通过调节聚苯胺凝胶的煅烧温度,明确了其碳化机制,实现了原位氮掺杂分级多孔碳的孔道尺寸和表面性质的调控,结合密度泛函理论揭示了不同官能团种类和不同碳原子个数的有机相变材料在受限的氮掺杂分级多孔碳孔道内的纳米限域机制,主要取决于有机相变材料和氮掺杂分级多孔碳之间的氢键强度和空间尺寸的限制作用,为开发综合性能优异的碳基有机复合相变材料提供了理论依据。(2)利用直接强化载体材料导热性能的方式,通过高温煅烧碳量子点构筑高导热的三维微纳米多孔网络碳材料,通过调节煅烧温度和交联反应,明确了化学调控反应机制,实现了三维网络碳材料形貌规整和高石墨化的调控,优化了声子的热传输通道,实现了有机复合相变材料蓄/传热能力的协同增强,明晰了有机复合相变材料的蓄/传热机制,为开发综合性能优异的碳基有机复合相变材料提供了理论依据和实验基础。(3)以金属有机骨架为多孔主体,碳量子点和有机相变材料为功能客体,构筑了一种具有光致发光功能的新型金属有机骨架基复合相变材料,实现了热能存储和光致发光双功能。以碳纳米管海绵为功能单元,设计了一种具有空气净化和温度调控双功能的热疗口罩,实现了过敏性鼻炎的优异热疗,在生物医学领域显示出巨大的应用潜力。这种不同功能单元材料的协同整合策略为设计和开发先进的新型多功能复合相变材料提供了一个创新平台。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB34
【图文】：

复合相变材料,相变材料

－－。逡逑（３）按相变温度区分类：相变材料可分为低温相变材料、中温相变材料逡逑和高温相变材料。低温相变材料包括水凝胶、冰等材料；中温相变材料包括逡逑一些有机物、结晶水合盐及高分子材料等；高温相变材料则包括一些金属合逡逑金材料和熔融盐。逡逑单一相变材料存在各种问题，比如：有机相变材料最大的限制因素在于逡逑热导率很低（如石蜡的热导率约为０．２邋Ｗｎ＾ＩＣ１），相变过程的传热性能差，逡逑严重阻碍了有机材料相变储能系统蓄、放热效率的提升。而绝大多数无机水逡逑合盐都具有腐蚀性，相变过程存在过冷和相分离等缺点［２６］。于是，复合相变逡逑储热材料应运而生，其既能有效克服单一的无机物或有机物相变材料存在的逡逑缺点，又可以改善相变材料的应用效果，拓展其应用范围。因此，近年来研逡逑制综合性能优异的复合型相变材料己成为储能材料领域的热点研究课题，尤逡逑其是定形复合相变材料发展迅速［２７＿２９］。逡逑２．２．２定形复合相变材料的制备方法逡逑

复合相变材料,相变材料

程中保持为宏观上的固体形态［３，７］。合成这类复合相变储能材料的关键是选取逡逑合适的相变材料和载体材料以及将这两种材料复合在一起的方法，其制备方逡逑法如图２－１所示。定形复合相变材料同时具有储能密度大和无泄露的优点，逡逑其相变温度可以由选取不同的相变材料实现调控。因此，定形复合相变材料逡逑是近年来国内外在能源利用和材料研发方面十分活跃的领域。从近年定形复逡逑合相变材料的合成发展状况来看，主要制备方法可大致归为：吸附法、熔融逡逑共混法、原位插层法、接枝法、烧结法和微胶囊［Ｍ，７＝３Ｇ＿３８］，如图２－２所示。逡逑痛＃馨逡逑Ｗｔ＇邋ｒ邋－ｎｏｒ逡逑Ｃｏｒｅ－邋ｄｒｕｇ逡逑Ｓｈｅｌｌ逦灥ｄｅｎＴｕｂｕｌａｒ逡逑翁？物？，逡逑＾ａｅｒｏｇｅｌ６逦ｉｎｔｅｒｒａｃｉａｌ逡逑图２－２定形复合相变材料的制备方法和应用Ｉ２】逡逑－６－逡逑

翅片,热传递,换热,相变材料

（１）采用翅片结构逡逑在储能系统中加入翅片结构能扩展换热面积，增大换热系数，增强传热效逡逑果，更有效地提高相变材料的导热性能，是早期较为广泛的应用方法。逡逑ＡｌｂｅｒｔＣａｓｔｅｌｌ等通过进行相关实验和数值计算分析，研究了不同尺寸翅片逡逑对传热系数的影响。实验采用三种不同的模具（不带翅片，带有小翅片和大逡逑翅片）承载相变材料三水醋酸钠，模具放入圆柱形水箱中，随着传热面积不逡逑同，根据公式计算传热系数。结果表明，使用不同大小的翅片对传热系数影逡逑响不同，但总体来说，翅片结构增加了传热区域，可有效缩短相变材料固化逡逑时间。ＳｏｈｉｆＭａｔ等［５１］建立了二维数值模型与实验进行对照研究，如图２－３所逡逑示。文章重点研宄了不同翅片对相变材料ＲＴ８２在三重管中的熔融过程的影逡逑响，并采用二维模型对有翅片和无翅片的情况进行了数值模拟分析，结果分逡逑析表明，采用翅片后储热单元的换热效果明显提高，和不添加翅片的相变材逡逑料熔融时间相比，采用三重管内部有翅片的加热方式可使相变材料的熔融时逡逑间缩短４３．３％。逡逑ＴＴＨＸ邋ｗｉｔｈ邋ｉｎｔｅｒｎ＾邋Ｈｏ逦ＴＴＨＸ邋Ｍｒｉｄ）邋ｅｘｔｅｒｎａ］邋ｆｕｉ逦ＴＴＨＸ邋ｉｆｌｂｒｎｕｄ－ｅｉｈｎｒｕｔｌ邋｛Ｉｓ逡逑

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