碳纳米基复合相变材料的阻燃性、热性能及其应用研究

摘要

建筑储能技术的研究已经成为当前建筑材料领域的重要问题，相变储能技术是提高能源利用率的重要手段。
　　本文针对有机相变材料传热性能低和热稳定性能差的缺点，制备了碳纳米管-石蜡复合相变材料，具备储热性能好、热稳定性能高等优点，随后将碳纳米管-石蜡复合相变材料与有机蒙脱土混合制备阻燃性能好的三元复合相变材料SiO2@MWNTs/石蜡/OMMT，并且能够较好地应用于水泥基材中。
　　碳纳米管具有优异的导热性能，但是因为其表面能巨大，添加至相变材料中会发生团聚，影响分散性和导热性能，因此采用表面包裹二氧化硅的方法进行改性，采用比表面积和孔径测试仪来对比改性前后的比表面积。研究表明:碳纳米管表面成功引入硅氧单键，可以进一步提高碳纳米管的导热性能;经改性的碳纳米管比表面积出现明显的降低，并且在石蜡中的分散性也得到了较好地提高。
　　研究了不同直径和含量的改性碳纳米管对石蜡相变材料相变温度和相变潜热的影响。碳纳米管的加入使得石蜡相变材料的相变温度、峰值温度和相变潜热相应的下降。碳纳米管的直径越小，相变潜热下降的越多;并且相变潜热随着碳纳米管含量的增加而减少;随着碳纳米管的加入，石蜡的初始分解温度和完全分解温度得到提高，且随着碳纳米管含量的增加而增加。
　　碳纳米管/石蜡/有机蒙脱土三元复合相变材料具有较好地阻燃性能，并且碳纳米管的加入，能够促进有机蒙脱土炭层的生成，改善炭层结构，使炭层结构更加致密，使其热稳定性能提高。
　　利用数值模拟分析软件Fluent对碳纳米管基复合相变材料的传热过程进行动态分析，考虑了自然对流的影响，将二元(石蜡/OMMT)和三元（SiO2@MWNTs/石蜡/OMMT）复合相变材料的传热过程进行对比，分析碳纳米管复合相变材料的导热增强作用。结果表明:相变材料在考虑对流的影响下熔化时间提前了1599s，说明自然对流对传热影响占据着一定的比例，不可忽略，在自然对流的影响下相变材料能够加快速熔化;加入3％碳纳米的复合相变材料的熔化和凝固时间相对于未加入之前分别缩短15％和22％;熔化过程中，复合相变材料受到自然对流的影响较大，凝固阶段以热传导为主。
　　将碳纳米管基复合相变材料加入到水泥中制成相变储热水泥净浆，研究二元和三元了相变材料对水泥的力学性能、孔体积和孔径分布以及传热性能的影响。结果表明:复合相变材料的加入均使得水泥净浆的抗压强度和密度降低，孔径往大方向偏移;三元复合相变材料中的碳纳米管能够降低孔体积和提高强度，并且能够提高储热水泥净浆的传热性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 相变储能技术

1．2．1 相变材料简介

1．2．2 相变潜热的影响因素

1．2．3 相变材料的封装技术

1．2．4 相变材料的应用

1．3 碳纳米管

1．3．1 碳纳米管的性质

1．3．2 碳纳米管增强导热

1．4 相变材料储热性能的数值模拟

1．5 阻燃性能的测试

1．5．1 阻燃剂的分类

1．5．2 燃烧性能的测试方法

1．5．3 阻燃性能的研究现状

1．6 课题主要目标及研究内容

1．6．1 课题主要目标

1．6．2 课题研究内容

第二章 试验原材料与方法

2．1 试验原料及化学试剂

2．1．1 试验所用原材料

2．1．2 试验所用化学试剂

2．2 试验仪器和设备

2．3 试样制备

2．3．2 蒙脱土的有机改性

2．3．3 石蜡／OMMT二元复合相变材料的制备

2．4 测试及表征

2．4．1 红外光谱测试

2．4．2 微观形貌及结构测试

2．4．3 瞬态平面热源法导热系数测试系统

2．4．4 同步热分析

2．4．5 DSC测试

2．4．6 比表面积及孔径测试

第三章 碳纳米管基复合相变材料热性能和阻燃性能的研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 碳纳米管改性

3．2．2 SiO2@MWNTs-石蜡复合相变材料的制备

3．2．3 SiO2@MWNTs／石蜡／OMMT三元复合相变材料的制备

3．3 结论与分析

3．3．1 比表面积分析

3．3．2 分散性分析

3．3．3 红外光谱分析

3．3．4 DSC分析

3．3．5 热稳定性分析

3．3．6 导热系数分析

3．3．7 阻燃性能分析

3．4 本章小结

第四章 碳纳米管基复合相变材料的相变传热数值模拟

4．1 引言

4．2 物理模型和数学模型的建立

4．2．1 物理模型

4．2．2 数学模型

2．2．2 边界条件

4．3 数学模型的求解

4．4 热物性参数的设定

4．5 数值模拟结果分析

4．5．1 相变分析

4．5．2 传热分析

4．6 本章小结

第五章 碳纳米管基复合相变材料在水泥中的应用研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 相变储热水泥净浆的制备

5．3 结果与讨论

5．3．1 干密度

5．3．2 力学性能

5．3．3 导热系数

5．3．4 微观孔径分析

5．3．5 微观形貌分析

5．3．6 储热性能分析

5．3．7 传热性能分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

硕士期间取得的主要成果