膨胀蛭石基复合相变储能材料的设计与性能

发布时间：2020-09-02 17:51

　　膨胀蛭石具有较高的封装容量及优良的热稳定性和化学相容性,是良好的储能介质封装载体。本文针对相变材料在应用过程中存在的储热容量低、传热能力差和过冷度大等难题,以膨胀蛭石为载体,PEG、Na_2HPO_4·12H_2O和硝酸盐为储能介质,通过功能性修饰,探究了复合相变材料相变行为和储热性能的主要影响因素,并阐明强化传热机制和过冷抑制机理,较大程度改善了复合相变材料的储热、传热和过冷性能。采用等效介质理论计算复合相变材料导热率,证实银和碳化硅纳米线在PAE和PSE ss-CPCMs中具有较高的强化传热能力。在膨胀蛭石孔道中构筑银和碳化硅纳米线三维贯通强化传热网络通道,有效降低传热过程中的界面热阻,提高快速均匀传热性能,加快储热和放热速率,在一定程度上解决复合相变材料传热慢或不均的问题。膨胀蛭石和纳米线表面作用对PEG相变行为和储热性能有不同程度影响。非等温结晶行为研究发现,银纳米线组分含量为0和19.3 wt%的PAE ss-CPCMs的半结晶时间分别延长~44%和~60%,但表观活化能分别降低到-219.7 kJ/mol和-213.4 kJ/mol,表明膨胀蛭石和纳米线协同作用促进PEG成核且抑制晶体生长,为定量解释由结晶度下降引起的储热容量降低提供理论依据。纳米线强化传热的复合相变材料储热能力有不同程度降低。采用碳纳米管强化传热,通过调控膨胀蛭石组分,尽可能降低对PEG储热行为的影响,并利用碳纳米管表面吸附PEG增加封装容量(~13 wt%),构筑潜热和导热率同时增加的PCE ss-CPCMs。采用膨胀蛭石封装结合加入无机粒子氧化铝的策略,通过两者协同作用大幅抑制Na_2HPO_4·12H_2O相变材料的过冷行为(~1.4℃,抑制比例90.2%),揭示膨胀蛭石和氧化铝表面上过冷行为抑制机理,为利用晶格参数与相变材料存在较大差异的成核剂降低水合盐过冷行为提供新的途径。首次设计并制备了高储热容量(~295 J/g)、高热稳定性和优异相变循环热可靠性(100次后潜热损失2%)的硝酸盐/膨胀蛭石中温复合相变材料。阐明膨胀蛭石对硝酸盐相变和储热行为的影响。提出了一种理论封装容量计算新方法,具有广泛的普适性。本文系统开展了膨胀蛭石基复合相变材料相关的理论和应用基础研究。取得的成果为构筑热物性能优异的低温/中温和有机/无机复合相变材料提供理论和技术支撑,也为我国丰富蛭石资源高附加值绿色利用开辟新途径。
【学位单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB34
【部分图文】：

存储材料,性能对比,显热,潜热

1 化学反应、显热和潜热存储材料的应用性能对比 (Nazir et al念产生于 20 世纪 60 年代，在 1982 年快速发展，发表，成为研究热点，研究者主要来自于中国、美国、日本变材料的理论和应用研究起步较晚，与发达国家相比，究所、华中师范大学、中国科技大学和广东工业大学等单位。但经历近 20 多年发展，我国对相变材料的研究

相变材料,检索关键词,论文数量,年份

发表关于相变材料的论文逐年上升，成为研究热点，研究者主要来自于中国、美国、日本和法国等（图1-2）。我国对相变材料的理论和应用研究起步较晚，与发达国家相比，较薄弱。中科院广州能源研究所、华中师范大学、中国科技大学和广东工业大学等是国内较早研究相变材料的单位。但经历近 20 多年发展，我国对相变材料的研究取得长足的进步，发表相关论文数量全球第一。经历近 60 年的发展，相变材料研究重点逐渐从单一的相变材料到新型多元复合相变材料转变，从单一功能到多功能转变，从相变材料本身研究到储热器件或系统设计转变等。相变材料应用过程中要求有潜热的释放，体系或系统与环境之间有能量交换，因此发生的只能是一级相变，这是作为相变材料的热力学先决条件，即两相转变过程中自由能和化学势相等，且化学势的一级偏微商不相等。发生二级或更高级相变的材料因在相变过程中没有潜热释放，因此不能用于热能储存（张仁元，2009）。由于相变材料发生一级相变，因此在相变过程中必定会伴随体积变化，这将不利于相变材料的实际应用，应避免克服。相变材料相变过程中体系焓的变化来自于熵的变化，即相变材料分子运动自由度变化越大，则相变焓，即相变潜热越大。相变潜热来自于内能的变化和体积功

相变材料,相变温度,潜热,范围

图 1-3 常见相变材料分类及其相变温度范围和潜热大小 (Amaral et al., 2017)图 1-4 不同种类相变材料的相变温度和潜热分布 (Su et al., 2015)

【相似文献】