石墨泡沫炭浸渗相变储能复合材料的界面结构与传热机理研究

储热技术是提高能源利用效率和开发利用新能源的关键所在，固-液相变材料因其突出优势，在节能与环保等诸多领域具有广阔的应用前景。本项目拟采用自发熔融浸渗工艺将高潜热固-液相变材料封装在三维开孔连通、高导热率的石墨泡沫炭骨架中。首先研究石墨泡沫炭与不同的相变储热介质间的润湿性，优选出高焓相变材料，其次研究该复合材料的界面结构和传热机理，探讨高导热石墨泡沫炭孔结构与复合材料储热性能之间的关系，并确定影响相变储热效果的关键因素，最后对该新型储热复合材料的储能密度、热导率和相变响应速率等重要指标进行表征。通过本项目的研究，将为发展高储能、良导热、定形和自支撑的新型相变储能复合材料提供新的设计思路与制造技术储备。

石墨泡沫炭浸渗相变储能材料是以石墨泡沫炭为骨架，相变材料为填充物的功能复合材料。具有快速散热的特点，克服了纯相变材料导热性能差、固-液流动以及无法定型等缺点，可用于航空航天舱内电子器件热控系统。本项目采用两级制造法，第一步制备三维连通的高导热石墨泡沫炭骨架，第二步是采用真空浸渗法将相变材料填充进石墨泡沫炭的内部空间，从而获得一类定型相变复合材料。利用软模板法，以中间相沥青为碳源，以聚氨酯泡沫为模板制备了石墨化泡沫炭,并表征石墨泡沫炭的界面润湿性能。获得石墨泡沫炭的密度达0.43g/cm3，石墨化度达42%，热导率达7.8 W/(m•K)，压缩强度达7.40MPa。. 采用熔融浸渗的方法将液相相变材料填充进石墨泡沫炭的三维孔结构中，并对复合相变储能材料进行了储热能力、稳定性、力学性能等方面的实验表征，结果表明；此种复合材料具有很强的储热能力和较佳的稳定性，相变材料与石墨泡沫之间并没有发生反应，只是物理结合。通过压缩强度测量，发现浸渗后的复合材料的抗压强度大幅提高，充分说明其可以自支撑的特点。. 最后采用数值模拟方法对相变材料填充石墨泡沫炭复合材料的传热机理展开研究。结果表明：有效导热系数主要取决于泡沫的孔隙率与均匀度，与孔径无关，孔隙率越低，均匀度越好，有效导热系数则越高。基于Fluent软件中的融化/凝固模块，对石墨泡沫炭相变复合材料的相变传热过程进行模拟分析。结果表明：泡沫炭骨架有助于提高相变速度，削减了自然对流对相变过程的负面影响。当Ra数与Da数越大，自然对流对相变过程的影响也就随之加大，融化速度也相应增快。而孔径越大，自然对流的影响越强，融化速度也就越快。