无机水合盐/多孔陶瓷基复合蓄热材料的制备及性能表征

摘要

在无机水合盐/多孔陶瓷基复合蓄热材料的研究过程中,无机水合盐的性能缺陷(如过冷度大,导热性能差等)及相变材料含量难以提高等问题成为目前研究的重点,也是复合蓄热材料研究过程中急需解决的问题。 本文选择钾明矾(KAl(SO4)2·12H2O)作为相变材料,并对其过冷性能、及导热性能进行了研究。通过冷指法及添加成核剂的方法对钾明矾的过冷性能进行了改进,从多种成核剂中选择出能有效改善钾明矾过冷性能的成核剂,并确定成核剂的最佳添加量。研究表明：冷指法能较好的改善相变材料的过冷性能,但具体操作不易控制；适量成核剂MgCl2·6H2O及NiSO4·6H2O的加入可有效改善钾明矾的过冷性能,2％的MgCl2·6H2O的加入可将钾明矾过冷度控制在1℃之内,此外由于MgCl2·6H2O具有吸湿性能,MgCl2·6H2O吸收的水分可及时补充相变过程中损失的结晶水,所以MgCl2·6H2O是钾明矾良好的性能改进剂。本文利用钛酸脂偶联剂对石墨进行了改性处理,解决了普通石墨与无机盐相容性差的问题,并从改性机理方面比较讨论了改性石墨与未改性石墨添加剂对相变材料导热性能的影响及添加量的问题。实验研究表明改性石墨用量对相变材料热传导性能的提高存在最佳值,且最佳值为5％。在最佳用量下改性石墨的加入可将相变时间缩短72.8％。 综合比较了复合蓄热材料的制备工艺及目前研究常用的几种多孔基体的性能,结合制备工艺原理对多孔基体的孔隙率、孔结构和断裂力学性能进行了详细的比较,结果表明莫来石纤维多孔陶瓷作为复合蓄热材料基体是可行的。并针对纤维多孔陶瓷强度低这-问题,通过对粘结剂性能的优化及对多孔陶瓷制备工艺的优化,制备出了与相变材料相容性好的基体。制备的多孔纤维陶瓷基体孔隙率在80％以上,孔径分布范围在熔融浸渍工艺要求的范围内,高气孔率多孔基体的制备使相变材料含量的提高成为可能。 通过熔融浸渍法将性能改进后的相变材料与高孔隙率的多孔基体复合制备出性能优良的无机水合盐/多孔陶瓷基复合蓄热材料。结合无压浸渗理论和具体实验确定了最佳浸渍温度、最佳浸渍时间、最佳浸渍方式等工艺参数。在最佳工艺条件下对制备的复合蓄热材料进行了全面热力学的表征,包括DSC表征、导热系数、热容、储热密度及抗压强度的表征。复合相变材料的相变温度为83.3℃,相变潜热为654KJ/Kg;导热系数为1.415W/mK;比热容为2.264MJ/m3K;储能密度为549KJ/Kg,抗压强度为10.9Mp。所制备的复合蓄热材料有合适的相变温度,较高的相变潜热和储热密度,抗压强度、热导率也能达到应用所需的要求,是性能优良的蓄热材料,可应用于相变温度范围内的余热回收装置中。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1前言

1.2潜热型蓄热材料的蓄热特点及研究现状

1.2.1固-液相变材料蓄热的种类和特点

1.2.2固-液相变材料的国内外研究现状

1.2.3固-固相变材料蓄热的种类和特点

1.2.4固-固相变材料的国内外研究现状

1.3复合蓄热材料

1.3.1复合蓄热材料的基本制备方法

1.3.2目前常用的多孔基体类型

1.3.3复合蓄热材料的研究现状

1.4本课题研究的目的、意义和主要内容

1.4.1本课题研究的目的及意义

1.4.2本课题研究的主要内容

第二章实验原料及测试表征

2.1实验所用化学试剂、实验仪器及设备

2.2实验测试表征手段

2.2.1差热分析(DSC)

2.2.2扫描电镜分析(SEM)

2.2.3显微结构观察

2.2.4 X射线衍射分析(XRD)

2.2.5抗压强度测试

2.2.6显气孔率及容重测试

2.2.7压汞测试

2.2.8导热系数及比热容测试

第三章相变材料的性能改善

3.1相变材料的选择

3.1.1常见的无机盐类相变材料

3.1.2相变材料的基本选择原则

3.1.3相变材料选择结果

3.2相变材料过冷性能的研究与改善

3.2.1相变材料过冷机理

3.2.2蓄热材料制备

3.2.3步冷曲线自动测温装置

3.2.4钾明矾的相变潜热及相变温度

3.2.5钾明矾的XRD分析

3.2.6冷指法对钾明矾蓄热性能的影响

3.2.7 MgCl2·6H2O对钾明矾过冷现象的改善

3.2.8 NiSO4·6H2O对钾明矾过冷现象的改善

3.2.9 CaF2对钾明矾过冷现象的改善

3.3相变材料热传导性能的研究与改善

3.3.1钾明矾热传导性能的改善措施

3.3.2石墨的改性

3.3.3相变材料的制备

3.3.4相变材料导热性能表征

3.3.5相变材料相变时间的测定

3.3.6石墨改性机理分析

3.3.7石墨对相变材料热传导性能的影响

3.3.8改性石墨对相变材料热传导性能的影响

3.3.9改性石墨与未改性石墨对相变材料热传导性能的影响比较

3.4添加成核剂及性能改进剂后的相变材料的XRD分析

3.5添加剂对相变材料蓄热性能的影响

3.6添加成核剂后的相变材料的显微结构

3.7添加成核剂及高导热系数石墨后的相变材料的断口形貌

3.8本章小结

第四章纤维多孔陶瓷基体的制备及工艺优化

4.1纤维多孔陶瓷作为复合蓄热材料基体的可行性

4.1.1蜂窝陶瓷基体

4.1.2添加造孔剂制备的多孔陶瓷基体

4.1.3纤维多孔陶瓷基体

4.1.4三种多孔基体的比较结果

4.2陶瓷纤维的选择

4.3粘结剂的选择

4.4纤维多孔陶瓷基体的制备工艺过程

4.4.1磷酸铝粘结剂的制备

4.4.2多晶莫来石纤维的预处理

4.4.3加压排液法成型设备

4.4.4多孔陶瓷的干燥

4.4.5多孔陶瓷的烧成

4.5制备工艺过程对性能的影响

4.5.1粘结剂的性质对多孔陶瓷抗压强度的影响

4.5.2粘结剂浓度对多孔陶瓷显气孔率和容重的影响

4.5.3多孔陶瓷显微结构分析

4.6.4纤维多孔陶瓷的孔洞结构

4.5.5纤维多孔陶瓷孔径分布

4.6本章小结

第五章无机水合盐／多孔陶瓷基复合蓄热材料的制备及性能表征

5.1熔融浸渍过程的基本理论

5.1.1自发浸渍原理

5.1.2主要浸渍方式

5.1.3浸渍过程主要影响因素

5.2复合蓄热材料的制备工艺过程

5.3复合蓄热材料制备过程工艺参数的确定

5.3.1浸渍温度的确定

5.3.2浸渍方式与时间的确定

5.4复合蓄热材料的性能表征

5.4.1复合蓄热材料的相变温度及相变焓

5.4.2复合蓄热材料的导热系数和比热容

5.4.3复合相变材料的储能密度

5.4.4复合蓄热材料的抗压强度

5.4.5复合蓄热材料的XRD表征

5.4.6复合材料的断口形貌

5.5本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致 谢