石墨填料的形态和面向尺寸对复合相变材料传热特性影响的实验研究

摘要

热能存储是应对能源危机、提高热能利用效率的有效手段。采用有机相变材料的相变潜热进行能量存储具有安全稳定、相变过程近似恒温等优点，得到迅速发展。然而，有机相变材料导热系数低(～0.2W/(m·K))的缺陷严重限制了其使用范围。目前，将高导热的颗粒添加到有机相交材料中制备复合相变材料是增强其传热能力最受关注的方法。石墨因其导热系数高(＞100 W/(m·K))、密度小等特点，日益成为添加物的首选材料。
　　首先利用真空吸附法制备不同饱和吸附量膨胀石墨(EG)/十六醇复合相变材料，综合运用SEM、XRD、FT-IR等手段研究了材料的形态、结构和化学稳定性，对比研究了吸附量对导热系数的影响。EG的多孔结构对液态相变材料具有较强的吸附定型作用，吸附量越大，导热系数越小。以十二酸为基体材料时变化趋势相似。超声震荡(300W，10s)得到的石墨纳米片(GNS)对导热系数的强化效果优于EG。在此基础上，通过控制超声震荡时间得到不同面向尺寸的GNS，研究了GNS的添加量、尺寸和温度对十六醇基复合相变材料导热系数的影响。导热系数随着GNS添加量的增加均近似线性增长，面向尺寸越大，强化效果越好。Nielsen模型在形状因子A取100至180时可以较好的预测实验值。导热系数对温度几乎无依赖性。此外，对比研究了石墨的形状和种类对复合物传热特性的影响，片层状的鳞片石墨效果最好，多孔碳最差，二维平面结构的石墨烯（GNP）强化效果优于碳纳米管。综合对比以上各种石墨材料强化导热效果，虽然基体材料不同，超声震荡30min得到的GNS-30导热强化效果与GNP相当。
　　其次，针对上述导热强化效果最好的两种石墨材料(EG、GNS)，实验中利用DSC对相关样品的相变温度（T）、相变潜热（L）进行测试，并解释了相变潜热变小的原因。石墨的加入对相变温度的的影响无明显规律，相变焓减小，小于计算值。GNS的尺寸对相变温度和相变焓的作用规律不明显。
　　最后本文搭建了相变传热实验台，采用时间-温度法分别测试纯十六醇及复合相变材料储热单元的相变传热过程，探究石墨的吸附量、尺寸、加载量和石墨种类对传热过程的影响。石墨材料的加入使得复合相变材料的吸、放热速率得到很大提高，在有效提高复合相变材料导热系数的同时，增大粘度，减少相变传热过程中的自然对流，使得低加载量下的强化效果不明显。

目录

声明

致谢

摘要

主要符号表

1 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 相变储能技术及其应用

1．2．1 相变储能技术

1．2．2 相变储能材料

1．2．3 相变储能技术的应用

1．3 相变材料强化传热的研究现状

1．3．1 增大换热面积

1．3．2 提高相变材料的导热系数

1．3．3 纳米复合相变材料

1．4 课题来源

1．5 课题的研究内容及创新点

1．5．1 研究内容

1．5．2 创新点

2 石墨基复合相变材料的制备与表征

2．1 前言

2．2 实验试剂与设备

2．2．1 实验原料和试剂

2．2．2 实验设备

2．3 样品的制备

2．3．1 膨胀石墨的制备

2．3．2 石墨纳米片的制备

2．3．3 复合相变材料的制备

2．4 形貌结构的微观表征与测试

2．5 本章小结

3 石墨填料对复合相变材料导热系数影响的研究

3．1 前言

3．2 测试方法与计算模型

3．2．1 测试方法的选取

3．2．2 TPS测试原理

3．2．3 计算模型

3．3 膨胀石墨的吸附量对导热系数的影响

3．3．1 微观表征与测试

3．3．2 导热系数的测量

3．3．3 吸附量和不同基体材料对导热系数的影响

3．4 石墨纳米片的尺寸对导热系数的影响

3．4．1 微观表征与测试

3．4．2 导热系数的测试

3．4．3 石墨纳米片的添加量和尺寸对导热系数的影响

3．4．4 温度对导热系数的影响

3．5 石墨材料的种类和形态对导热系数的影响

3．5．1 微观表征与测试

3．5．2 石墨填料的种类和形态对导热系数的影响

3．6 本章小结

4 石墨基复合相变材料储热特性分析与储热单元的吸、放热特性

4．1 前言

4．2 DSC分析

4．2．1 测试原理

4．2．2 样品制备与测试过程

4．2．3 膨胀石墨的吸附量对相变温度和相变焓的影响

4．2．4 石墨纳米片的添加量和尺寸对相变温度和相变焓的影响

4．3 吸、放热过程分析

4．3．1 实验方法和测试过程

4．3．2 膨胀石墨的吸附量对吸、放热过程的影响

4．3．3 石墨纳米片的面向尺寸对吸、放热过程的影响

4．3．4 石墨填料的添加量和形态对吸、放热过程的影响

4．4 本章小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间研究成果

硕士阶段获奖情况