石墨烯基相变储能复合材料的制备及导热机理分析的研究

发布时间：2020-03-25 12:23

【摘要】：潜热储能模式的相变材料在航天器热控方面具有很大的优势,但低热导率和易泄漏的缺点严重制约了相变材料在储能和热管理方面的应用。高热导率的石墨烯材料为高性能相变复合材料的发展提供了新的机遇。本文利用石墨烯材料构建宏观导热骨架结构,同时实现了对相变材料导热性能的提升和液相的封装,成功制备了石墨烯基相变储能复合材料。针对石墨烯泡沫特征形貌,构建表征体单元,利用有限元方法对复合材料导热机理进行研究。首先制备了石墨烯泡沫基相变储能复合材料,并利用有限元方法对其进行导热机理分析。以氧化石墨烯水溶液为原料,利用定向凝固冰模板法结合还原和热处理技术,制备了石墨烯泡沫,填充石蜡后获得了复合材料。石墨烯泡沫呈现出有序分布的蜂巢状微孔结构,单位质量分数石墨烯泡沫可对基体相变材料带来214%的热导率增长率,而构成石墨烯泡沫孔壁的微片热导率可达74.06-110.94W/mK,从而提高了相变材料的吸/放热速率。模拟分析表明,孔壁热导率和界面热阻是影响复合储能材料热响应的关键因素。然后在结构中引入石墨烯导热膜,获得内嵌定向导热膜的复合材料,以进一步强化复合材料内的传热过程。该材料以0.94wt%的质量代价获得了24.71倍的热导率提升,相当于单位石墨烯含量使相变材料热导率提高了2628%,对相变材料热传导增强效果显著。最后,在给定工况下利用Fluent软件中的熔化/凝固模型对复合材料相变传热过程进行模拟,以分析不同石墨烯骨架对相变材料热响应速率的影响。结果表明石墨烯膜的加入大大降低了复合材料厚度方向的温度梯度,使热响应效率得到极大提升。
【图文】：

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图 1.1 CVD 法石墨烯泡沫的典型结构（摘自文献[25]）[28]采用一种相对温和的方法，通过化学还原的手段从氧尺寸的石墨烯泡沫，热处理条件为氩气氛围下 450℃5 泡沫的热导率为 0.12 0.36W ( m K)，石墨烯泡致热导率偏低的原因除了泡沫过高的孔隙率、利用化及石墨烯片层界面处大的边界热阻，另一个因素是构成低。作者进一步利用混合理论和有效介质理论（EMT，

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图 1.2 根据电镜照片构建的用于有限元分析的模型示意图（摘自文献[48]）通过对泡沫微观结构的抽象简化构建有限元模型，在合理假设条件下分析结构尺素及界面因素对材料发挥导热能力的影响，可以对实验制备工艺提出合理建议。借上资料，针对本文所研究的石墨烯基相变储能复合材料，拟分析构成石墨烯泡沫壁墨烯材料热导率、泡沫的尺寸因素、接触热阻等关键参数对材料的导热性能的影响.3.研究内容和方法通过上述分析，本文将利用冰模板法构建泡沫骨架，通过还原和热处理获得导热烯泡沫，将其与相变材料复合获得复合相变储能材料。根据石墨烯泡沫的特征微观构建表征体单元，利用有限元方法分析单元壁热导率、表征体尺寸及热阻因素对复料导热性能的影响。利用 Fluent 软件中的熔化/凝固模型对复合材料的相变传热过行模型，参照某行器内部电子元件热载荷状况和热防护要求，利用制备的复合材料温控模拟，分析不同结构对温控效果的影响。根据以上思路，本文的主要内容包括（1）石墨烯泡沫基相变储能复合材料的制备及导热机理的分析利用氧化石墨烯粉末获得均匀的水溶液，接着利用冰模板法结合真空冷冻干燥技
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V259;V444.3

【参考文献】