發(fā)布時(shí)間：2020-07-06 07:15

【摘要】：目前,有機(jī)相變材料(主要是固-液相變材料)主要存在液態(tài)時(shí)易泄漏、導(dǎo)熱性能低和功能性單一等缺點(diǎn),大大限制了有機(jī)相變材料的廣泛應(yīng)用。通過(guò)開(kāi)發(fā)定形復(fù)合相變材料不僅可以有效防止有機(jī)相變材料在固-液相變過(guò)程中發(fā)生泄漏,而且還可以提高相變材料的綜合使用性能。因此,開(kāi)發(fā)高性能的定形復(fù)合相變材料成為相變儲(chǔ)能領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。本文基于微納米分級(jí)多孔碳和金屬有機(jī)骨架材料,綜合微納材料的尺寸效應(yīng)和多孔材料的孔道特性系統(tǒng)研究了有機(jī)相變材料在受限的分級(jí)孔道內(nèi)的納米限域效應(yīng),開(kāi)發(fā)了蓄/傳熱協(xié)同增強(qiáng)以及具有光致發(fā)光功能和熱療功能的新型多功能定形復(fù)合相變材料,為微納米多孔材料的可控構(gòu)筑、功能耦合和在熱能存儲(chǔ)領(lǐng)域應(yīng)用提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。具體研究?jī)?nèi)容如下:(1)通過(guò)調(diào)節(jié)聚苯胺凝膠的煅燒溫度,明確了其碳化機(jī)制,實(shí)現(xiàn)了原位氮摻雜分級(jí)多孔碳的孔道尺寸和表面性質(zhì)的調(diào)控,結(jié)合密度泛函理論揭示了不同官能團(tuán)種類和不同碳原子個(gè)數(shù)的有機(jī)相變材料在受限的氮摻雜分級(jí)多孔碳孔道內(nèi)的納米限域機(jī)制,主要取決于有機(jī)相變材料和氮摻雜分級(jí)多孔碳之間的氫鍵強(qiáng)度和空間尺寸的限制作用,為開(kāi)發(fā)綜合性能優(yōu)異的碳基有機(jī)復(fù)合相變材料提供了理論依據(jù)。(2)利用直接強(qiáng)化載體材料導(dǎo)熱性能的方式,通過(guò)高溫煅燒碳量子點(diǎn)構(gòu)筑高導(dǎo)熱的三維微納米多孔網(wǎng)絡(luò)碳材料,通過(guò)調(diào)節(jié)煅燒溫度和交聯(lián)反應(yīng),明確了化學(xué)調(diào)控反應(yīng)機(jī)制,實(shí)現(xiàn)了三維網(wǎng)絡(luò)碳材料形貌規(guī)整和高石墨化的調(diào)控,優(yōu)化了聲子的熱傳輸通道,實(shí)現(xiàn)了有機(jī)復(fù)合相變材料蓄/傳熱能力的協(xié)同增強(qiáng),明晰了有機(jī)復(fù)合相變材料的蓄/傳熱機(jī)制,為開(kāi)發(fā)綜合性能優(yōu)異的碳基有機(jī)復(fù)合相變材料提供了理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。(3)以金屬有機(jī)骨架為多孔主體,碳量子點(diǎn)和有機(jī)相變材料為功能客體,構(gòu)筑了一種具有光致發(fā)光功能的新型金屬有機(jī)骨架基復(fù)合相變材料,實(shí)現(xiàn)了熱能存儲(chǔ)和光致發(fā)光雙功能。以碳納米管海綿為功能單元,設(shè)計(jì)了一種具有空氣凈化和溫度調(diào)控雙功能的熱療口罩,實(shí)現(xiàn)了過(guò)敏性鼻炎的優(yōu)異熱療,在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用潛力。這種不同功能單元材料的協(xié)同整合策略為設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)先進(jìn)的新型多功能復(fù)合相變材料提供了一個(gè)創(chuàng)新平臺(tái)。
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TB34
【圖文】：

－－。逡逑（３）按相變溫度區(qū)分類：相變材料可分為低溫相變材料、中溫相變材料逡逑和高溫相變材料。低溫相變材料包括水凝膠、冰等材料；中溫相變材料包括逡逑一些有機(jī)物、結(jié)晶水合鹽及高分子材料等；高溫相變材料則包括一些金屬合逡逑金材料和熔融鹽。逡逑單一相變材料存在各種問(wèn)題，比如：有機(jī)相變材料最大的限制因素在于逡逑熱導(dǎo)率很低（如石蠟的熱導(dǎo)率約為０．２邋Ｗｎ＾ＩＣ１），相變過(guò)程的傳熱性能差，逡逑嚴(yán)重阻礙了有機(jī)材料相變儲(chǔ)能系統(tǒng)蓄、放熱效率的提升。而絕大多數(shù)無(wú)機(jī)水逡逑合鹽都具有腐蝕性，相變過(guò)程存在過(guò)冷和相分離等缺點(diǎn)［２６］。于是，復(fù)合相變逡逑儲(chǔ)熱材料應(yīng)運(yùn)而生，其既能有效克服單一的無(wú)機(jī)物或有機(jī)物相變材料存在的逡逑缺點(diǎn)，又可以改善相變材料的應(yīng)用效果，拓展其應(yīng)用范圍。因此，近年來(lái)研逡逑制綜合性能優(yōu)異的復(fù)合型相變材料己成為儲(chǔ)能材料領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究課題，尤逡逑其是定形復(fù)合相變材料發(fā)展迅速［２７＿２９］。逡逑２．２．２定形復(fù)合相變材料的制備方法逡逑

程中保持為宏觀上的固體形態(tài)［３，７］。合成這類復(fù)合相變儲(chǔ)能材料的關(guān)鍵是選取逡逑合適的相變材料和載體材料以及將這兩種材料復(fù)合在一起的方法，其制備方逡逑法如圖２－１所示。定形復(fù)合相變材料同時(shí)具有儲(chǔ)能密度大和無(wú)泄露的優(yōu)點(diǎn)，逡逑其相變溫度可以由選取不同的相變材料實(shí)現(xiàn)調(diào)控。因此，定形復(fù)合相變材料逡逑是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外在能源利用和材料研發(fā)方面十分活躍的領(lǐng)域。從近年定形復(fù)逡逑合相變材料的合成發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看，主要制備方法可大致歸為：吸附法、熔融逡逑共混法、原位插層法、接枝法、燒結(jié)法和微膠囊［Ｍ，７＝３Ｇ＿３８］，如圖２－２所示。逡逑痛＃馨逡逑Ｗｔ＇邋ｒ邋－ｎｏｒ逡逑Ｃｏｒｅ－邋ｄｒｕｇ逡逑Ｓｈｅｌｌ邐灥ｄｅｎＴｕｂｕｌａｒ逡逑翁？物？，逡逑＾ａｅｒｏｇｅｌ６邐ｉｎｔｅｒｒａｃｉａｌ逡逑圖２－２定形復(fù)合相變材料的制備方法和應(yīng)用Ｉ２】逡逑－６－逡逑

（１）采用翅片結(jié)構(gòu)逡逑在儲(chǔ)能系統(tǒng)中加入翅片結(jié)構(gòu)能擴(kuò)展換熱面積，增大換熱系數(shù)，增強(qiáng)傳熱效逡逑果，更有效地提高相變材料的導(dǎo)熱性能，是早期較為廣泛的應(yīng)用方法。逡逑ＡｌｂｅｒｔＣａｓｔｅｌｌ等通過(guò)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算分析，研究了不同尺寸翅片逡逑對(duì)傳熱系數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)采用三種不同的模具（不帶翅片，帶有小翅片和大逡逑翅片）承載相變材料三水醋酸鈉，模具放入圓柱形水箱中，隨著傳熱面積不逡逑同，根據(jù)公式計(jì)算傳熱系數(shù)。結(jié)果表明，使用不同大小的翅片對(duì)傳熱系數(shù)影逡逑響不同，但總體來(lái)說(shuō)，翅片結(jié)構(gòu)增加了傳熱區(qū)域，可有效縮短相變材料固化逡逑時(shí)間。ＳｏｈｉｆＭａｔ等［５１］建立了二維數(shù)值模型與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)照研究，如圖２－３所逡逑示。文章重點(diǎn)研宄了不同翅片對(duì)相變材料ＲＴ８２在三重管中的熔融過(guò)程的影逡逑響，并采用二維模型對(duì)有翅片和無(wú)翅片的情況進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，結(jié)果分逡逑析表明，采用翅片后儲(chǔ)熱單元的換熱效果明顯提高，和不添加翅片的相變材逡逑料熔融時(shí)間相比，采用三重管內(nèi)部有翅片的加熱方式可使相變材料的熔融時(shí)逡逑間縮短４３．３％。逡逑ＴＴＨＸ邋ｗｉｔｈ邋ｉｎｔｅｒｎ＾邋Ｈｏ邐ＴＴＨＸ邋Ｍｒｉｄ）邋ｅｘｔｅｒｎａ］邋ｆｕｉ邐ＴＴＨＸ邋ｉｆｌｂｒｎｕｄ－ｅｉｈｎｒｕｔｌ邋｛Ｉｓ逡逑

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