高导热石墨烯复合相变材料的热物性研究

摘要

能源问题给当今人类社会的发展所带来的挑战愈发严峻，在这样的背景下，通过相变材料(Phase change material,PCM)解决能源供需不均衡是一种切实可行的办法，相变材料的相关研究也是当今的研究重点。然而相变材料在实际应用中还存在很多限制。常用的有机相变材料具有一个比较突出的缺点：导热系数较低，这导致能量储存系统的热响应速率低下，吸热和放热过程因此延迟。随着相变材料研究的深入，添加高导热填充物的复合相变材料可以很好地改善上述缺点，但也随即带来了新的问题：复合体系的稳定性通常较差，导热能力会因填充物团聚和沉降而减弱。本文尝试采用两种方法以解决复合相变材料的分散性问题：①对传统的填充式复合相变材料填充物——石墨烯进行化学改性，使其具备在相变材料正十八烷中稳定分散的能力；②利用石墨烯气凝胶(GA)吸附正十八烷，形成形态固定的复合相变材料。本文采用实验和模拟相结合的方式，围绕石墨烯/正十八烷复合相变材料的热物性进行研究。　　通过化学修饰制备硬脂醇改性的石墨烯(简称改性石墨烯,MG)，经粒度分析和扫描电镜对其在正十八烷中的分散性及微观形貌进行研究。将改性石墨烯与正十八烷混合形成复合相变材料，为了研究石墨烯材料添加量对复合相变材料储热性能的影响，本文分别制备了改性石墨烯质量分数为0%，1%，2%，3%，4%的样品，并经过傅里叶变换红外光谱分析、差示扫描量热实验及导热分析等测试对其热物性进行表征和研究。实验表明：①本文制备的改性石墨烯/正十八烷复合相变材料具有很好的分散性；②改性石墨烯的引入不会对相变材料的热能储量造成明显影响；③当改性石墨烯的质量分数达到4%时，复合相变材料的导热系数相对于纯正十八烷高出了131.9%。　　利用还原组装法和真空浸渍法制备石墨烯气凝胶(GA)/正十八烷复合相变材料，并对其微观形貌、循环稳定性以及热物性进行研究。结论如下：①石墨烯气凝胶内部的微孔道结构提供吸附力与正十八烷相复合，可以提升正十八烷的热稳定性，石墨烯气凝胶对正十八烷的吸附性随含量增加而提高；②石墨烯气凝胶本身具有很高的热导率，可以作为复合相变材料的导热骨架，大幅提升导热系数，当石墨烯气凝胶含量为13.99wt%时，导热系数提升306.2%，但是石墨烯气凝胶的大量引入会降低复合相变材料的相变潜热。　　之后对两种类型的石墨烯复合相变材料展开分子动力学模拟，从微观角度探究复合相变材料在相变过程中内部能量迁移和微观机理对宏观热物性的影响模式和变化关系。模拟结果分析表明：复合相变材料的导热系数高于正十八烷，且随石墨烯材料的含量增加而增加。从分子动力学的角度解释其原因如下：石墨烯材料的引入会导致正十八烷分子的末端距和扭转角分布更加集中，径向分布函数和自扩散系数降低，说明正十八烷分子的排布方式受到影响，造成正十八烷导热系数的增加。

目录

1 绪 论

1.1 热能储存方式概述

1.1.1 显热储存

1.1.2 可逆化学反应热储存

1.1.3 潜热储存

1.2 相变材料

1.2.1 相变材料概述

1.2.2 石墨烯复合相变材料的研究进展

1.3.1 相变特性测量

1.3.2 导热系数测量

1.4 分子动力学模拟理论

1.4.1 力场

1.4.2 分子动力学算法

1.4.3 系综

1.4.4 温度及压力控制

1.4.5 周期性边界条件

1.5 导热系数的分子动力学模拟计算方法

1.6.1 研究目的

1.6.2 研究内容

2 改性石墨烯复合相变材料的热物性实验研究

2.1.1 实验材料

2.1.2 实验设备

2.1.3 分析测试仪器

2.1.4 改性石墨烯的制备

2.1.5 复合相变材料的制备

2.2 性能表征

2.2.1 分散稳定性及在循环可靠性测试

2.2.2 材料形貌

2.2.3 化学特性

2.2.4 相变特性

2.2.5 导热系数

2.3 本章小结

3 石墨烯气凝胶复合相变材料的热物性实验研究

3.1.1 实验材料

3.1.2 实验设备

3.1.3 分析测试仪器

3.1.4 石墨烯气凝胶/正十八烷复合相变材料的制备

3.1.5 石墨烯气凝胶三维结构的形成机理

3.2.1 形貌结构

3.2.2 热稳定性测试

3.2.3 化学相容性

3.2.4 相变特性

3.2.5 导热系数

3.3 复合相变材料的对比与应用分析

3.4 本章小结

4 石墨烯复合相变材料的分子动力学模拟

4.1.1 模型和方法

4.1.2 导热系数

4.1.3 微观结构在相变过程中的变化

4.1.4 径向分布函数

4.1.5 自扩散系数与熔点

4.1.6 比热容

4.2.1 改性石墨烯相变材料的建模与计算

4.2.2 导热系数

4.2.3 微观结构模拟

4.2.4 相变特性模拟

4.3.1 石墨烯气凝胶相变材料的建模与计算

4.3.2 导热系数

4.3.3 微观结构模拟

4.3.4 相变特性模拟

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间论文目录

B. 学位论文数据集

致谢