碳纳米管基复合相变材料的结构特性、改性机理及其在水泥中的应用基础研究

针对脂肪酸类相变材料在与建筑材料结合应用时存在导热性差、易燃、与建筑材料不相容等严重缺陷，本项目利用碳纳米管与蒙脱土的特殊结构与性能，拟采用结构重组构建的方法实现碳纳米管基相变材料的复合制备与改性。对碳纳米管基复合相变材料在纳米尺度上的插层组装方法、其微结构与性能之间的关系进行研究。揭示碳纳米管与层状蒙脱石对复合相变材料性能的作用机理，为复合相变材料的结构设计提供依据。并在此基础上对碳纳米管基复合相变材料-水泥体系在水化过程中微结构的演变进行研究。通过本项目的开展，促进人们对碳纳米管基复合材料若干基础问题的研究，并为新型水泥基储热材料的设计与开发提供新的思路。

1.项目的背景.将相变材料与建筑材料结合是提高建筑的节能效率的方法。然而，有机相变材料在应用过程中存在的导热率低、耐火性差、与无机建筑材料不相容等问题急需解决。.需要进一步深入研究：(1)对复合相变材料结构的调整与构建研究不多；(2)将碳纳米管用于插层结构材料的构建还未见研究；(3)对复合相变材料水泥材料在水化过程中的微结构演变过程等方面未见研究。.2.主要研究内容.(1)碳纳米管基复合相变材料的制备研究；(2)碳纳米管基复合相变材料的结构表征；(3)碳纳米管基复合相变材料的性能；(4)碳纳米管基复合相变材料-水泥体系结构特性与性能研究。.3.重要结果、关键数据及其科学意义.（1）.采用三种方式对碳纳米管进行改性与分散处理，得到碳纳米管的最佳改性方法，改善了碳纳米管的分散性能。.（2）. 采用有机/无机三元纳米复合方法成功制备了碳纳米管基复合相变材料。结构表征结果证明了插层的实现。碳纳米管基复合相变材料的热焓为47.7J/g，冷热循环100次后，仅降低1.26%，导热系数比二元复合相变材料提高了33.78%，表现出良好的储热性能与稳定性。相比于聚乙烯/石蜡复合相变材料，阻燃性得到很大改善。热释放峰值减小了52.6%，二氧化碳的最大释放速率降低64%。建立了微结构与性能的关系，提出其导热性能与阻燃性改善的机理。完成相变材料冷热循环仪器的设计与制作。科学意义：通过插层组装的纳米结构构建，充分发挥纳米碳基复合相变材料的导热性能、阻燃性。实现了对纳米复合相变材料结构的有效控制。揭示了碳纳米管与层状蒙脱石对复合相变材料性能的作用机理。.（3）.复合相变材料的相变传热数值模拟。建立了理论传热模型，模拟分析相变过程的液相率、固液界面与相变速度场的变化。结果表明，随着熔融的进行，热传导模式转变为以对流换热为主，相变材料的熔融速率得到增强。科学意义：解释相变材料的传热机理，从传热学角度为碳纳米管基复合相变材料的设计与制备提供依据。.4.碳纳米管基复合相变材料-水泥体系。获得碳纳米管基复合相变材料-水泥体系在水化过程中的微结构演变过程、储热性能、阻燃性与力学性能。复合相变材料与水泥石之间具有较好的相容性；复合相变材料掺入后，无新物相产生，但对Ca(OH)2晶体有一定影响。当复合相变材料的掺量为5wt%时，导热系数下降约15%。研究成果为新型水泥基储热材料的设计与开发提供新的思路。