微纳尺度多腔核壳结构相变复合材料蓄热机理研究

蓄热速度是衡量相变材料蓄热能力的重要指标，有效评价相变储能材料蓄热能力，是目前热物理及材料科学界亟需解决的难题之一。本课题以实验为主导，理论分析与数值模拟为支撑，系统研究影响微纳相变胶囊材料蓄热能力的各因素间耦合关系。主要包括：采用交流谐波探测法结合独立探测器，直接探测微纳相变胶囊材料相变前后及相变过程中的有效蓄热系数、热导率、热扩散率等热物性参数，获取材料颗粒直径、密度、微纳腔体结构及芯材包覆量对其整体蓄热能力（蓄热速度及容量）的影响规律；理论上，以实验研究为基础，采用显热容法建立微纳相变胶囊蓄热能力与各影响因素间的理论模型，结合对相变胶囊相变时导热、对流及辐射换热的耦合分子动力学模拟，完善微纳相变胶囊的蓄热及传热理论框架，揭示微纳相变胶囊的蓄热及传热机理。为经济实用的微纳相变胶囊材料的设计开发、精确可控及原理化制备提供评价依据及理论指导。

材料的热物性参数是衡量材料传蓄热能力的最直接、最本质的参数，同时也是材料性能改善、优化设计以及热管理系统优化设计的基础数据，适当而有效的测量方法及设备是获得材料热物性参数的关键手段。本课题根据谐波探测原理，针对要研究的相变微胶囊粉体的特性，提出简化的斜率比较法。经过标准样品校准，发现研制的线热源独立探测器、面热源探测器及测量系统可方便快捷测量微纳粉体的有效热导率、热扩散率及吸热系数，同时又可保证测量精度。.实验研究了微纳粉体材料热物性参数与密度、温度、粒径、壳芯比等之间的耦合关系，发现由于受到固相导热、气相传热及辐射传热的耦合作用，粉体有效热导率随密度变化存在最佳值，且最佳密度随颗粒直径的减小而减小；有效热导率及有效热扩散率均随颗粒直径的减小而增大。因此在利用粉体作为添加剂时，应根据其颗粒直径及应用工况确定最佳添加比例。.在相变区间内，相变微胶囊有效热导率及吸热系数均随温度的升高急剧增大，在相变温度峰值处达到极大值。相变核材性能及其包覆量是衡量材料蓄热能力（包括速度与容量）的关键。核材含量越高、潜热越大、相变时的有效热导率越大，其有效吸热系数越大，与其周围环境热交换能力越强。相变微胶囊的有效密度越大，其有效热导率及有效吸热系数越大。因此在工业应用中，应根据工况的不同，选择密度、比热、热导率等性能参数合适的壳材、芯材，控制其芯材包覆量，制备适合不同工况需求的相变微胶囊。.采用耦合传热分析法，建立了适用于相变微胶囊有效热导率的计算模型，并根据实验结果给出了待定参数的取值范围，为该类样品的导热能力预估提供了理论依据。基于显热容法对相变问题的求解，对多腔结构相变微胶囊的相变蓄热和释热过程进行数值模拟，研究腔体结构对其蓄热和释热能力的影响，在此基础上分析相变胶囊蓄/放热时导热、对流及辐射的耦合关系，建立微纳相变胶囊相变蓄热数学模型。将数值模拟及显热容法热分析结果与实验结果相比较，以验证热能耦合传递模拟结果及热分析计算结果的合理性与准确性，修正完善数值计算模型和热能耦合传递模型。.在项目执行过程中，还开展了一些没有列入计划的和本项目相关的工作，研究了多孔相变复合材料传蓄热能力与其孔径、孔隙率的耦合关系。这些工作主要集中在3ω热物性测量方法的拓展及仪器化研究、复合相变材料传蓄热特性测量及传蓄热机理分析等。