碳基介孔相变复合材料的制备及其相变热特性研究

Integration of nanotechnology and phase change energy storage technology can help resolving the easy-leakage(liquid PCM), large volume expansion, low thermal conductivity and other shortcomings of the organic PCM。Therefore, this project intend to add inorganic nanoparticles with high thermal conductivity (SiO2, carbon nanotubes and graphene) into the organic PCM to obtain particles filled reinforced composite, then add the PCM into graphite foam which has high thermal conductivity, three-dimensional skeleton and micron communicating holes to obtain a new form-stable PCM composite. Effects of shape, size, surface characteristics, critical filling density, thermal physical properties of the nanoparticles on the thermal conductivity, stability and supercooling of the energy storage PCM composite and the thermal conducting mechanism of carbon-based PCM composite containing inorganic nanoparticles will be researched. Microscale phase transition behavior of organic phase change materials whose space is nanoscale limited effected by surface function、scale-dependent will be studied. Influence on the phase transition thermal properties of composite structure produced by the interaction between matrix and nano filler will be researched. Laws of effect on thermal property generated by mesoporous morphology structure、filling rate and temperature will also be analyzed.

纳米技术与相变储能技术的交叉融合有利于解决有机相变材料的液相易泄漏、过冷度大和热导率低等缺点，因此本课题拟在中低温有机相变材料中掺杂不同类型的无机纳米颗粒(SiO2、碳纳米管和石墨烯)，获得颗粒填充强化的相变复合材料，并将其封装于三维高导热的碳基介孔骨架石墨烯泡沫中，从而构成一类新型定形介孔异质复合储能结构。研究添加纳米颗粒的临界填充密度、填充颗粒的形态、尺寸、表面特征及热物理性能等因素对复合相变储能材料的导热系数、稳定性及过冷度的影响规律；研究纳米级受限空间的有机相变材料在表面效应、尺度效应等作用下微尺度相变行为；基体、纳米填充体间相互作用对复合结构相变热特性的影响，分析介孔形貌结构、填充率以及温度对热特性的作用规律。

纳米技术与相变储能技术的交叉融合有利于解决有机相变材料的液相易泄漏、过冷度大和热导率低等缺点，本课题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。采用真空浸渗工艺法，将掺杂不同类型的无机纳米颗粒(SiO2、碳纳米管和石墨烯)的中低温多种有机相变材料，将其封装于三维高导热的碳基介孔骨架石墨烯泡沫中，从而构成新型定形介孔异质复合储能结构。. 基于经典形核理论建立的程序模拟了纳米微粒均匀成核和非均匀成核过程，采用实验与模拟相结合的方式得到了纳米微粒的弥散方式及掺杂含量对复合储能材料的热导率和过冷度的影响规律；采用分子动力学与有限元方法对相变材料在微观尺度的传热进行了模拟，探究了添加纳米微粒的改性相变材料的强化传热机理；微观表征了纳米微粒改性的相变材料，同时得到复合相变储能材料宏观导热性能。结合实验测定结果表明：改性相变材料对石墨泡沫碳的填充良好，纳米颗粒添加后的复合相变储能材料具有优秀的导热和储热能力。. 在利用Material Studio导入是石墨烯模型后，利用晶胞来自动生成较大的石墨烯分子结构，晶界模拟与DSC测试结果表明，纳米微粒的添加可以使过冷度减小，并且使晶粒、晶界数量大为减少，凝固潜热释放充分，再次升温熔化时熔点、熔化潜热都和第一次熔化相同。泡沫炭的添加会使得泡沫炭骨架又将晶体强行阻隔出多个晶界,使得总晶界数步增加。并且泡沫碳阻隔出的晶界不能被晶界调整消除。SiO2和碳纳米管微粒对PCM的传热增强效果十分有限，而石墨烯特有的片层结构在PCM中形成导热通路，所以石墨烯填充的复合储能材料传热效果远远优于其他纳米微粒填充的。基于“海岛-网络-基体”三相特征的分布体系，对“纳米微粒/有机相变材料/石墨烯泡沫”多层次封装相变储能复合材料，提出适用于填充介质含量的复合材料导热方程，描述了纳米级受限空间的有机相变材料在表面效应、尺度效应等作用下异于宏观的相变机理和热物理机制。