【摘要】：由于相變材料(Phase Change Materials,PCMs)具有儲(chǔ)能密度大和蓄放熱過(guò)程近似等溫等優(yōu)點(diǎn),因此,它常被用于存儲(chǔ)或者釋放熱能。將固-液相變材料與水泥基材料復(fù)合,可制備出結(jié)構(gòu)-功能一體化相變儲(chǔ)能水泥基材料,將其應(yīng)用于建筑中,可顯著提高建筑的蓄熱能力,提升建筑對(duì)太陽(yáng)能等可再生能源的利用效率,降低建筑能耗。但目前研究顯示,由于相變材料強(qiáng)度低,水泥基材料在添加相變組分后,會(huì)導(dǎo)致相變儲(chǔ)能水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能大幅度地下降。此外,由于相變材料自身導(dǎo)熱系數(shù)較低,從而影響了相變水泥基復(fù)合材料的傳熱效率,影響復(fù)合材料其在建筑中的應(yīng)用效果。基于提升力學(xué)性能和導(dǎo)熱性這兩個(gè)目的,本課題從制備既具有高效的相變儲(chǔ)能功能又具有良好的力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)-功能一體化的建筑材料這一出發(fā)點(diǎn),開(kāi)展了以下的研究工作:(1)率先開(kāi)展利用高導(dǎo)熱性的膨脹石墨(expanded graphite)和多層石墨烯片(graphene sheets)作為定型載體材料制備兼顧力學(xué)性能的水泥基復(fù)合相變材料;(2)創(chuàng)新性地將不同尺度的納米二氧化硅顆粒和宏觀碳纖維復(fù)合使用,研究納米二氧化硅和碳纖維對(duì)相變微膠囊水泥基材料的力學(xué)性能和熱工性能的強(qiáng)化作用機(jī)理;(3)基于基材增強(qiáng)的目的,率先研究氧化石墨烯(graphene oxide,GO)對(duì)水泥基材料性能的強(qiáng)化機(jī)理,進(jìn)一步探索氧化石墨烯對(duì)儲(chǔ)能水泥基材料的力學(xué)性能和熱工性能的影響規(guī)律。基于本研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可得到以下主要結(jié)論:(1)以多孔碳基材料(膨脹石墨和工業(yè)級(jí)多層石墨烯)作為支撐材料,以石蠟為相變材料,可制備出具有極高潛熱值的定形相變材料。差示掃描分析(DSC)計(jì)算出膨脹石墨/石蠟和工業(yè)級(jí)多層石墨烯/石蠟的潛熱值分別為152.8 J/g和51.84 J/g。測(cè)試結(jié)果顯示,本研究所制備的定形相變材料各組分之間彼此是物理復(fù)合,無(wú)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生,并且滿(mǎn)足熱穩(wěn)定性能和熱可靠性的要求。(2)水泥水化熱實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在水泥中摻入多孔碳基定形相變材料不僅能有效地降低水泥水化熱總量,而且還可以有效降低水化熱放熱速率。通過(guò)對(duì)紅外熱像實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可以得出,含有相變材料的水泥漿體的熱調(diào)溫性能更加突出。(3)在水泥基材料中添加石墨改性的微膠囊化相變材料后,儲(chǔ)能水泥基復(fù)合材料的28天抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別下降了41%和48%。但隨著納米二氧化硅和碳纖維摻入量的增加其力學(xué)性能呈上升趨勢(shì),相對(duì)于空白組,摻入1.5%的碳纖維和2%的納米二氧化硅后,28天的抗折強(qiáng)度提高了17%,而且抗壓強(qiáng)度僅降低了20%。并且,摻入1.5%碳纖維后,儲(chǔ)能水泥基復(fù)合材料的導(dǎo)熱性提高了17.8%。房屋模型調(diào)溫實(shí)驗(yàn)和紅外熱成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明,添加碳纖維可以顯著地提高儲(chǔ)能水泥基復(fù)合材料的熱交換效率,從而提高其熱能儲(chǔ)存效率和熱調(diào)溫效果。(4)為了增強(qiáng)水泥基材料的力學(xué)性能,開(kāi)展了多層氧化石墨烯(GO)增強(qiáng)水泥基材料的相關(guān)研究。在保證氧化石墨烯在堿性環(huán)境中均勻分散的前提下,水泥基材料的力學(xué)性能與GO摻入量成正比關(guān)系。從目前的研究看,基于本研究所用的多層GO改性水泥基材料的X射線(xiàn)衍射(XRD)、熱重分析(TGA)和固體核磁共振硅譜(~(29)Si MAS-NMR)的結(jié)果表明,GO改性水泥基材料強(qiáng)度的提升得益于GO促進(jìn)水泥水化進(jìn)程的作用,而不是GO對(duì)水泥水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)改性而產(chǎn)生的性能提升效果。按照目前的方法,添加少量的GO對(duì)儲(chǔ)能水泥基材料的力學(xué)性能提升不夠顯著,對(duì)儲(chǔ)能水泥基材料的導(dǎo)熱性能也沒(méi)有顯著影響。
【學(xué)位授予單位】：深圳大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TU528
【圖文】：

圖 1-1 兩種建筑節(jié)能的作用機(jī)理：(a)保溫材料和(b)相變混凝土復(fù)合材料ig.1-1 Action mechanism of two kinds of energy-saving: (a) Insulation materials; (b) PCM/conomposite materials.盡管相變儲(chǔ)能水泥基材料在建筑節(jié)能方面有較多研究，但在實(shí)際應(yīng)用中，有一題：結(jié)構(gòu)-功能一體化的水泥基材料與未摻相變材料的普通水泥基材料相比，度與普通水泥基材料相比均有不同程度的下降。例如，根據(jù)崔宏志等人的研究當(dāng)在水泥基材料中摻入 25wt%直徑為 150μm 微膠囊相變材料時(shí)，28 天的相度下降近 55%，因此，只有大幅提高基材的強(qiáng)度，才能制備出滿(mǎn)足調(diào)溫儲(chǔ)能和要求的混凝土。具有高導(dǎo)熱性和優(yōu)異的力學(xué)性能的相變儲(chǔ)能調(diào)溫水泥基材料正展的方向和趨勢(shì)。隨著納米科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，帶動(dòng)了材料領(lǐng)域的一場(chǎng)變革，也給水泥基材料來(lái)了機(jī)遇[11]。將納米材料應(yīng)用在水泥基材料中，可以減少水泥基材料原有的缺

1-2 水泥基材料從水化硅酸鈣微觀結(jié)構(gòu)到混凝土宏觀結(jié)構(gòu)的多尺度研究示意ltiscale schematic drawing of cement-based materials from calcium silicate micrrostructure材料（Nano Carbon Materials），如碳納米管和石墨烯等，是當(dāng)今、化學(xué)等交叉學(xué)科快速發(fā)展的研究領(lǐng)域的重要研究對(duì)象。據(jù)研究報(bào)納米 2D 材料，它的強(qiáng)度是目前已知強(qiáng)度的材料中最高的，大約 多倍[17]。因此，石墨烯可作為增強(qiáng)相應(yīng)用于水泥基材料中，從韌性、抗拉強(qiáng)度的目的。并且，石墨烯的高導(dǎo)熱性和多層性，使材料的載體材料。與石墨烯相比，氧化石墨烯（Graphene oxide化的方法在石墨烯結(jié)構(gòu)上嫁接了大量的活性含氧基團(tuán)，如羥基（及環(huán)氧基（-O-）等[18]（如圖 1-3 所示），這些親水基團(tuán)的存在在水中分散，更容易與水泥水化產(chǎn)物復(fù)合形成插層復(fù)合物。這些Level III

圖 1-3 石墨烯和氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1-3 Graphene and graphene oxide structure一種納米材料—活性納米二氧化硅，也受到廣泛科研工作者的廣泛關(guān)注。表明，活性納米二氧化硅作為高活性的火山灰質(zhì)材料可與氫氧化鈣發(fā)生化可以提高水泥水化速率，而且還可以改變水泥漿體的微觀結(jié)構(gòu)，從而使水實(shí)[20, 21]。納米二氧化硅顆�？梢宰鳛樗a(chǎn)物的晶核（結(jié)晶中心）從而

【參考文獻(xiàn)】

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1 尹海濱;朱建平;祝瑜;侯歡歡;荊浩;管學(xué)茂;;納米二氧化硅改性水泥基材料的研究進(jìn)展[J];江蘇建材;2014年06期

2 路陽(yáng);盧軍太;何小芳;曹新鑫;卿培良;;納米二氧化硅的制備及其對(duì)水泥水化影響的研究進(jìn)展[J];硅酸鹽通報(bào);2013年07期

3 姜傳飛;蔣小曙;李書(shū)進(jìn);陸雷;;石蠟相變復(fù)合材料的研究[J];化學(xué)工程與裝備;2010年08期

4 史巍;張雄;Juergen Dreyer;;相變儲(chǔ)能大體積混凝土的控溫性能[J];同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2010年04期

5 巴恒靜,馮奇,楊英姿;粉煤灰、硅灰及納米硅與C_3S水化反應(yīng)產(chǎn)物的顯微結(jié)構(gòu)研究[J];硅酸鹽學(xué)報(bào);2002年06期

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1 王軍;相變控溫混凝土的理論基礎(chǔ)研究和制備[D];武漢理工大學(xué);2011年

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