纳米粒子对熔盐复合蓄热材料热物性的影响

为了得到SiO_2纳米粒子含量对SiO_2/NaNO_3-KNO_3/EG复合蓄热材料比热容和热导率的影响,通过机械分散法,采用NaNO_3-KNO_3和不同质量分数(0.1%,0.5%,1%,2%,3%)的SiO_2纳米粒子所形成的熔盐纳米材料作为蓄热材料,膨胀石墨(EG)作为基体材料,制备出纳米SiO_2/NaNO_3-KNO_3/EG复合材料。对复合材料的比热容和热导率进行了测量,同时用扫描电镜对其微观结构特征进行了分析。结果表明,SiO_2纳米粒子的质量分数为1%时,复合材料的平均比热容和热导率分别为3.92 J/(g·K)和8.47 W/(m·K),与其他纳米SiO_2添加比例相比,其比热容和热导率分别提高了1.37～2.17倍和1.7～3.2倍。这是由于复合材料表面会形成高密度的网状结构,这种具有较大比表面积和高表面能的特殊纳米结构可以提高复合材料的比热容和热导率。     

添加纳米SiO2对单组分及二元硝酸盐热物性的影响

熔盐作为相变材料,可以用作聚热太阳能电站中的储热介质,通过向基盐中添加不同比例的纳米材料可以显著增强熔盐的热物性。将20 nm的SiO₂纳米颗粒分别分散到硝酸钾、硝酸钠和solar salt （60% NaNO₃,40% KNO₃,均为质量分数）中制备成稳定的纳米流体,制备的每一种纳米流体都经过溶解、超生、干燥蒸发等过程。采用差式扫描量热法测量熔盐的比热容、熔化潜热、熔点等热物理性质,并采用激光闪射法对基盐和纳米熔盐的热扩散系数进行测量和分析。结果表明,SiO₂颗粒的添加对硝酸钠、硝酸钾和solar salt的熔化潜热、比热容和热导率等热物理性质有显著的影响。与基盐相比,solar salt、硝酸钾和硝酸钠在液态的比热容值分别增加了4.7%～15.89%、3.9%～33.5%、1.9%～11.86%;测得的热导率分别最大增加了17.16%、39.7%、9.5%。     

纳米SiO2粒子对低熔点混合硝酸盐热物性影响

为探究纳米粒子对低熔点混合硝酸盐热物性的影响规律,采用高温熔融分散法将平均粒径20 nm的SiO₂纳米粒子以1%（质量）比例直接分散到混合熔盐[Ca（NO₃）₂·4H₂O-KNO₃-NaNO₃-LiNO₃]中得到不同分散条件下的熔盐纳米复合材料。采用同步热分析仪（DSC）与激光闪射仪（LFA）测量熔盐纳米复合材料比热容与热扩散系数,进而得到热导率。分析发现,600 r/s搅拌速率下熔盐纳米复合材料热物性随分散时间（15,45,90,120和150 min）发生明显变化。比热容、热扩散系数和热导率在分散45 min时提高率最大,平均提高率分别为11.5%,12.9%和26.4%。扫描电镜（SEM）观察到熔盐纳米复合材料表面有大量特殊结构（类似于链状或条状）存在。这些具有高比表面积和表面自由能的特殊结构可能是熔盐纳米复合材料热物性提高的关键。     

纳米粒子对CO2水合物导热性能的影响

试验研究了不同种类（Al₂O₃、Cu、SiO₂）、不同质量分数（0.05%、0.1%、0.15%）及不同粒径（10、30、50 nm）的纳米粒子对CO₂水合物热导率的影响。结果表明温度为-5~5℃时,纯CO₂水合物热导率为0.553~0.5861 W·m^-1·K^-1,具有玻璃体的变化特性。分散剂SDBS的加入,可改善CO₂水合物-纳米粒子体系的导热性能。在相同的质量分数和粒径下,纳米Cu粒子对CO₂水合物热导率的增强作用最好,但综合考虑水合物生成特性和溶液悬浮稳定性,选用纳米Al₂O₃粒子较合适。Al₂O₃粒子粒径越小,水合物热导率越大,15 nm比50 nm纳米粒子体系中CO₂水合物热导率的增长率平均提高了12.7%。此外,CO₂水合物热导率随Al₂O₃粒子质量分数的增大而增大,质量分数由0.05%增加到0.15%时,水合物热导率的增长率由4.2%提高到8.2%。     

新型复合低温相变蓄冷材料的研制及热物性优化

针对低温冷链物流应用场合,提出一种由三羟甲基丙烷（TMP）、氯化铵（NH₄Cl）和水组成的新型有机-无机复合相变蓄冷材料。首先对该复合材料的不同配比进行DSC热分析实验,筛选出热力性能较优异的材料混合比（TMP∶NH₄Cl∶H₂O质量比为1.0∶2.0∶7.0）。其次,以上述配比的复合材料为基液,研究了添加不同的纳米粒子（三氧化二铝、二氧化钛、三氧化二铁）对其过冷度、热导率的影响,以及增稠剂（羧甲基纤维素（CMC）、聚丙烯酸钠（PAAS））对其相分离现象的影响,并进行了热循环实验。实验结果表明：添加0.40%(质量分数)的TiO₂纳米粒子对降低该复合材料过冷度效果最佳;添加0.50%(质量分数)的TiO₂纳米粒子对增大其热导率效果最佳;增稠剂CMC和PAAS可以消除该复合材料相分离现象并对其相变温度、相变潜热、过冷度等热物性影响较小。经优化所得最终复合相变蓄冷材料的配比为以1.0∶2.0∶7.0质量比混合的TMP-NH₄Cl-H₂O + 0.40%(质量分数)TiO₂ + 1.0%(质量分数) PAAS,其相变温度为－19.9℃,相变潜热为246.8 kJ/kg,热导率为0.81 W/(m·K),并具有较好的循环稳定性。     

载体含量对NaNO3/硅藻土复合相变储热材料的性能影响规律

采用混合烧结工艺,通过改变硅藻土载体材料的质量分数制备5种不同参数的NaNO₃/硅藻土复合相变储热材料（CPCM）样品,并对其进行抗压强度测试、热物性测试、能谱表征、微观形貌观察及热性能分析。当硅藻土质量分数从30%增加到35%和40%时,样品抗压强度随之增加,表现出脆性材料特征,当达到45%和50%时,则表现出塑性材料特征。硅藻土的加入和混合烧结处理对NaNO₃的相变几乎没有影响。样品的热导率随温度升高而降低,在同一温度条件下,样品热导率均随硅藻土质量分数的升高基本呈上升趋势,但从30%增加到35%时,热导率的增幅大于从35%增加到50%时热导率的增幅,前者约为后者的8倍。与NaNO₃相比,样品在常温-相变前温度段和相变结束-最高温度段的平均比热容随硅藻土质量分数变化均出现先下降后上升的变化。硅藻土质量分数为35%时,样品内部结构致密,NaNO₃充分均匀吸附于硅藻土的分离独立小单元中。硅藻土质量分数为35%时样品具有较好的抗压强度和储热效果。     

PEG-EG固-固相变材料的制备和性能研究

针对固-液相变材料易泄漏和热导率较低的问题,提出了聚乙二醇(PEG)固-固相变的复合材料。复合材料由不同比例、热导率较大的膨胀石墨(EG)骨架与PEG化学枝接得到。研究结果表明,EG质量分数为10%时,复合相变材料仍存在泄漏现象,而EG质量分数为20%、30%时不再有泄漏现象,复合材料表现为固-固相变。另外,复合材料的热导率随EG含量的增加而增大,其中EG质量分数为30%时,复合材料的热导率最高,为8.031 W·m^-1·K^-1,是纯相变材料热导率(0.289 W·m^-1·K^-1)的27.79倍。经历50次循环后,所有复合相变材料的相变温度和相变焓均未有明显变化,证明其具有良好的热稳定性。考虑综合性能,EG的质量分数为20%时,复合相变材料性能最佳,定形效果良好,相变焓(138.30 J·g^-1)和结晶度(88.6%)较高,热导率也可以达到6.870 W·m^-1·K^-1。     

Na2HPO4?12H2O相变储能复合材料制备及热物性

十二水磷酸氢二钠的过冷度、相分离以及热导率低等问题影响了其在低温蓄热场合的应用,因此需要对其进行相关的改性研究。本文通过成核剂和增稠剂的筛选实验及添加导热增强剂纳米氧化铁（α-Fe₂O₃）,制备了质量分数为Na₂HPO₄·12H₂O+2% Na₄P₂O₇·10H₂O+1%黄原胶（GX）+0.2%α-Fe₂O₃复合相变储能材料,并对其进行了凝固放热测试、热物性测试及循环稳定性测试。结果表明：2%的Na₄P₂O₇·10H₂O抑制过冷效果最好,成核效果不随循环次数的增加而减小,过冷度维持在2℃左右;GX可以有效抑制Na₂HPO₄·12H₂O的相分离现象,且质量分数为0.75%～1.25%是较合适的剂量;α-Fe₂O₃可以有效地提高Na₂HPO₄·12H₂O的热导率,添加0.2%α-Fe₂O₃使热导率提高了90.8%;循环150次后,复合相变储能材料的相变潜热值为252J/g,相比于循环前衰减了7.4%,相变温度为35.4℃,过冷度为1.3℃,热导率为2.054W/(m·K),相比纯材料提高了100.2%。改性后的复合相变储能材料相变温度适宜,潜热值大,热导率高,热性能稳定,可推广应用到热泵蓄热、温室生产和电子器件散热等领域。     

空气能蓄冷用相变材料研制及热物性表征

针对自然冷源在建筑空气调节中的应用,以癸酸-月桂酸（CA-LA）低共熔混酸为相变材料,纳米Fe₂O₃为添加剂,膨胀石墨（EG）为基质材料,采用化学分散、超声振荡和物理吸附的方法制备CA-LAFe₂O₃/EG复合相变材料,并对材料进行性能表征。结果表明纳米Fe₂O₃质量分数为0.8%时与CA-LA混合均匀性较好,具有成核作用,消除了CA-LA的过冷度;EG质量分数为5.88%时,对CA-LAFe₂O₃（质量分数0.8%）具有较好的包覆效果,傅里叶变换红外光谱（FTIR）显示复合材料内部未发生化学反应,各物质之间属于物理吸附;纳米Fe₂O₃粒子和EG可加快材料相变过程,较CA-LA、CA-LA Fe₂O₃（质量分数0.8%）的冷却与结晶过程总时间缩短了39.4%,CA-LA Fe₂O₃（质量分数0.8%）/EG（质量分数5.88%）对应时间缩短78.2%,有利于空气能蓄冷过程的顺利进行;CA-LA Fe₂O₃（质量分数0.8%）/EG（质量分数5.88%）的相变焓为124.70kJ/kg,融化初始温度为18.66℃,结晶起始温度为19.87℃,较CA-LA的焓降低3.4%,融化与结晶过程温度区间均增大,材料的导热性能增强。定型复合相变材料热响应与受压方向有关,受压面切向方向温度响应速度远大于受压面法向方向,相变储能换热器设计时应考虑材料导热的各向异性特点。     

空调用纳米有机复合相变蓄冷材料制备与热物性

针对目前空调用有机相变蓄冷材料热导率低的问题,将具有高导热性的纳米材料(MWNTs、Al₂O₃、Fe₂O₃)添加到所开发制备的二元复合有机蓄冷材料(质量比73.7:26.3的辛酸/肉豆蔻醇)中,从纳米材料的种类和浓度两方面,研究其对复合有机蓄冷材料热物性的影响。实验发现:对于MWNTs、Al₂O₃、Fe₂O₃ 3种纳米材料,当其质量分数分别小于0.3%、0.4%、0.8%时,对应纳米复合材料热导率随纳米材料浓度的增加幅度较为明显;与原二元复合有机相变蓄冷材料相比,添加0.3%的MWNTs,热导率提高26.3%;添加0.4%的Al₂O₃,热导率提高13.1%;添加0.8%的Fe₂O₃,热导率提高32.1%;当在一定纳米材料质量分数(如0.7%)下,加入纳米颗粒的复合材料导热性能效果依次为Fe₂O₃>MWNTs>Al₂O₃。不同纳米粒子的添加对原蓄冷材料的相变温度和相变潜热影响很小,相变温度变化波动最大为0.4℃,相变潜热变化波动范围最大为1.4%。     

硬脂醇/膨胀石墨复合相变材料的制备及储热性能

相变储热技术是解决热量在时空上分配不平衡问题的有效手段之一,研制高性能的复合相变材料（phase change material, PCM）成为当前研究者关注的重点。硬脂醇（stearyl alcohol, SAL）等有机PCM目前主要存在热导率偏低以及循环稳定性较差等问题而限制了实际应用。以SAL作为PCM,膨胀石墨（expanded graphite, EG）为高导热多孔基质,采用吸附定形工艺制备了16种SAL/EG复合PCMs[EG含量为7%、14%、21%、28%（质量）;样品密度为700kg/m³、800kg/m³、900kg/m³、1000kg/m³]。对复合PCMs样品的微观结构、储热能力、导热性能、循环稳定性及充放热性能进行研究与分析。结果表明：SAL完全填充于EG的多孔网络。当样品密度为900kg/m³,EG质量分数为28%的水平热导率最高,其值为28.58W/(m ? K),相比于纯SAL[0.38W/(m ? K)]提高了74倍,该值大约是相对应垂直热导率[5.99W/(m ? K)]的4.8倍。另外在构建的充放热性能试验台上研究了样品中心位置的储/放热性能,结果显示样品密度为900kg/m³,EG质量分数为28%的样品充放热速率最大,固-液潜热吸热和放热阶段所经历的时间分别为53min和20min。与此同时验证了样品的导热性能和熔化-凝固特性,说明SAL/EG复合PCMs具有稳定可靠的储/放热性能。     

形态稳定的Na2SO4·10H2O-Na2HPO4·12H2O共晶盐相变储能材料的制备及热性能提升

在复合相变材料中引入碳纳米纤维(CNFs)提高相变体系的导热系数,以实现相变材料与外界环境进行快速有效的热量交换。本文采用熔融共混法将Na₂SO₄·10H₂O和Na₂HPO₄·12H₂O制备成共晶盐相变材料,借助聚丙烯酸钠构筑三维聚合物网络封装相变材料,利用CNFs提升复合材料的导热系数。通过Raman、XPS等测试方法,研究了CNFs经高能球磨、湿化学氧化处理后,其表面含氧官能团的变化;借助Raman、DSC、Hot disk、TG等测试方法,分析了CNFs对复合材料化学相容性、相变行为、热稳定性、潜热容量、导热系数的影响。结果表明:CNFs经过功能化处理,氧、碳原子比增大至0.140,氧化效果显著;CNFs引入至复合相变材料中,体系内各组分之间存在良好的化学相容性;当CNFs的添加量达到3%(质量分数),复合材料的固、液态导热系数分别达到1.05 W/(m·K)、0.88 W/(m·K),相较于未添加CNFs的复合材料,固、液态导热性能分别提升了69.4%、60.0%;经过1 000次循环试验,复合材料的熔融焓和结晶焓相较循环前分别下降了56.2%、65.3%,相变体系仍然具备一定的储热能力,表明将相变材料嵌入三维网络结构是一种有效的封装策略。     

添加纳米MgO和SiO2颗粒对二元碳酸盐(Li2CO3-K2CO3)比热容的影响

熔盐作为一种新型传热工质,由于其液体使用范围宽,比热容相对较高,蓄热能力强,已被广泛应用于聚热太阳能电站的储热传热介质,而通过增强熔盐的比热容可以显著提高其储热密度。将纳米SiO₂和MgO颗粒分别均匀分散到二元共晶碳酸盐（Li₂CO₃-K₂CO₃）中,制备出两种稳定的纳米流体,采用差式扫描量热法（DSC）分析纳米颗粒对熔盐比热容的影响。实验结果显示,添加20 nm的纳米颗粒对碳酸盐的比热容有显著影响：通过添加纳米MgO和SiO₂颗粒,纳米熔盐比热容相比基盐分别平均提高了27.5%～34.1%,11%～20.7%。经过多个固-液循环后,测得两种纳米流体的比热容变化率均低于4.31%,且具有良好的热稳定性。采用电子扫描显微镜表征纳米流体的微观结构,纳米流体在固态时的SEM图像显示在熔盐表面形成了特殊的纳米结构。     

纳米粒子掺杂太阳盐复合材料热物性研究

在聚光式太阳能系统中,熔盐被视为良好的储热材料,具有成本低、使用安全、低饱和蒸汽压等特点。合理改善其热物性可实现太阳能高效利用,掺杂纳米颗粒可提高熔盐的储热及传热性能。在之前工作中,采用高温静态熔融法将纳米氧化铝（Nano alumina,NA2）掺杂于太阳盐（SS,质量分数为60%的硝酸钠与质量分数为40%的硝酸钾的混合物）中,获得了具有较高比热容的纳米流体（NA2-SS,N2S）。在此基础上,采用相同方法将纳米石墨粉（GP）和NA2同时掺杂于SS中（NA2-GP-SS,N2GS）,利用差式扫描量热法和瞬态平面热源法对体系比热和导热进行测试。结果表明,优化样品为N2GS-4,比热容与原样SS相比提升21.79%,导热提升20.69%,在高温状态下具有较好的热稳定性。N2GS-4作为一种硝酸盐基纳米复合蓄热材料在热能存储系统中具有广阔的应用前景。     

利用KH560和纳米SiO2采用“一步法”反应挤出增黏PET

以KH560（3-缩水甘油基氧基丙基三甲氧基硅烷）和纳米SiO₂颗粒复配作为扩链剂，采用“一步法”反应挤出增黏聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）。KH560和SiO₂的添加量均为PET质量分数的2.5%时，增黏效果最好。并且在PET不干燥的情况下，KH560和SiO₂复配也可增加PET的黏度，可用作PET的扩链剂和防水解剂。经透射电镜观察，发现SiO₂在PET中的分散状况良好。用FTIR研究了KH560、SiO₂、PET三者之间的反应机理。用TGA分析了SiO₂的接枝率，发现接枝率高达72.0%。用DSC对PET/纳米SiO₂复合材料的结晶行为进行了研究，并讨论了结晶行为对力学性能的影响。当KH560和SiO₂的添加量均为PET质量分数的2.5%时，结晶度最低，综合力学性能最好。     

SiO2气凝胶纤维隔热复合材料的常压制备及性能表征

SiO₂气凝胶的力学性能较差,隔热性能较强,为了使其成为良好的隔热材料,本文提出一种SiO₂气凝胶纤维隔热复合材料的制备方法。以正硅酸乙酯(TEOS)为前驱体,玻璃纤维和陶瓷纤维为增强体,硅烷偶联剂KH550和KH570为纤维处理剂,在常压条件下制备SiO₂气凝胶纤维隔热复合材料,并对材料性能进行表征。结果表明:前驱体中十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)含量越高,复合材料中SiO₂气凝胶导热系数越低,低至0.028 W/(m·K);使用硅烷偶联剂KH550时,基体和纤维之间结合的紧密程度更高;纤维的加入使SiO₂气凝胶的力学性能达到很高水平;当前驱体中TEOS与CTAB摩尔比为1∶0.022时,经KH550处理的玻璃纤维/SiO₂气凝胶复合材料导热系数为0.054 W/(m·K),力学性能良好,隔热性能最优。     

水合盐基中低温热化学储热材料性能测试及数值研究

以水合盐K₂CO₃·1.5H₂O和膨胀石墨（EG）分别作为化学蓄热材料和多孔基质,研制了复合储热吸附剂K₂CO₃@EG。对该复合吸附剂和未掺杂膨胀石墨的纯水合盐就脱附储热、吸附性能、循环稳定性等方面进行了对比分析。结果表明,复合吸附剂所需的脱附温度降低,对吸附质的吸附动力学性能也有明显提升且可有效避免潮解现象。经过连续15次的脱附-水合循环实验后,纯盐和复合吸附剂的储热密度分别下降27.6%和10.9%。此外,对储热单元的数值研究结果初步验证了该蓄热体系的可行性。