水基碳纳米复合相变材料的非等温结晶过程研究

摘要

能源是经济和社会发展的物质基础，但是自工业革命以来，煤炭、石油等化石能源消耗迅速，影响了人类的可持续发展。目前解决能源问题的主要途径是开发新能源和寻求提高能源利用效率的先进方法。相变储能技术因能解决能量供求在时间与空间上不匹配的矛盾，能够有效提高能源利用效率。相交蓄冷是相变储能技术的一种应用方向，是指利用蓄冷工质的凝固潜热特性将其凝固相变过程中的冷能储存起来，并能通过升高工质温度将储存的冷能加以释放和利用。常用蓄冷工质存在导热系数低和过冷度大的问题，如水的导热系数约为0.6W/mK，过冷度约为20℃。通过在蓄冷工质中加入高导热的纳米颗粒形成悬浮液（即纳米复合相变材料）的方法可以改善其导热系数的不足。碳纳米材料由于具有较高的导热系数，如碳纳米管的导热系数约为3000W/mK，近年来常被用来作为相变材料的导热系数添加剂。同时，在蓄冷工质中加入的高导热纳米颗粒可以作为非均匀成核剂促进结晶过程的发生，降低过冷度。
　　本文针对水在凝固相变过程中的过冷度问题开展了相应的实验研究。主要开展的工作是配备了五个浓度的水基碳纳米复合相变材料（氧化石墨烯水悬浮液和碳纳米管水悬浮液），通过重力沉降法和透射电子显微镜法观察其分散稳定性，并采用差式扫描量热仪(DSC)实验研究了三个降温速率下的非等温结晶过程。论文分析和讨论了碳纳米材料的浓度以及DSC的降温速率对水的过冷度的影响，得到了以下结论:
　　1）实验结果表明随着浓度的提高，悬浮液的过冷度呈逐步下降的趋势。在最高浓度1％时，石墨烯水悬浮液的过冷度较之纯水下降了约5℃，碳纳米管水悬浮液较纯水的过冷度下降了约7℃，幅度大于普通的金属纳米颗粒。
　　2）悬浮液的过冷度随着降温速率的增大会略微升高，但降温速率对过冷度随悬浮液浓度的相对变化没有影响。
　　3）在非等温结晶的初期（即晶核形成阶段），结晶速率随着浓度的提高有减缓的趋势，到后期（即晶核成长阶段）则有加速的效果。

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 国内外研究现状

1．2．1 纳米复合相变材料的制备

1．2．2 纳米复合相变材料的分散稳定性分析

1．2．3 纳米复合相变材料的导热系数的研究

1．2．4 纳米复合相变材料作为蓄冷工质的结晶过程研究

1．3 课题来源及主要研究内容

2 相变结晶过程基础理论

2．1 结晶热力学条件

2．2 结晶动力学

2．2．1 等温结晶动力学

2．2．2 非等温结晶动力学

2．3 晶核的形成

2．3．1 均匀成核的基本理论

2．3．2 非均匀成核理论

3 实验操作及实验原理

3．1 实验材料及仪器

3．1．1 实验材料

3．1．2 实验仪器

3．2 实验仪器原理

3．2．1 差式扫描量热法

3．2．2 透射电子显微镜(TEM)

3．3 水基碳纳米复合相变材料的制备

3．3．1 氧化石墨烯水悬浮液的制备

3．3．2 碳纳米管水悬浮液的制备

3．4 水基碳纳米复合相变材料的分散稳定性

3．4．1 纳米复合相变材料的分散稳定性表征

3．4．2 氧化石墨烯水悬浮液的分散稳定性表征

3．4．3 碳纳米管水悬浮液的分散稳定性表征

3．5 本章小结

4 水基碳纳米复合相交材料的非等温结晶过程研究

4．1 氧化石墨烯水悬浮液的非等温结晶过程研究

4．1．1 氧化石墨烯水悬浮液的过冷度影响因素的研究

4．1．2 氧化石墨烯水悬浮液的非等温结晶过程分析

4．2 碳纳米管水悬浮液的非等温结晶过程研究

4．2．1 碳纳米管水悬浮液的过冷度影响因素的研究

4．2．2 碳纳米管水悬浮液的非等温结晶过程分析

4．3 本章小结

5 结论及展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间研究成果

攻读硕士学位期间参加的科研工作