膨脹蛭石具有較高的封裝容量及優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和化學相容性,是良好的儲能介質(zhì)封裝載體。本文針對相變材料在應用過程中存在的儲熱容量低、傳熱能力差和過冷度大等難題,以膨脹蛭石為載體,PEG、Na_2HPO_4·12H_2O和硝酸鹽為儲能介質(zhì),通過功能性修飾,探究了復合相變材料相變行為和儲熱性能的主要影響因素,并闡明強化傳熱機制和過冷抑制機理,較大程度改善了復合相變材料的儲熱、傳熱和過冷性能。采用等效介質(zhì)理論計算復合相變材料導熱率,證實銀和碳化硅納米線在PAE和PSE ss-CPCMs中具有較高的強化傳熱能力。在膨脹蛭石孔道中構(gòu)筑銀和碳化硅納米線三維貫通強化傳熱網(wǎng)絡通道,有效降低傳熱過程中的界面熱阻,提高快速均勻傳熱性能,加快儲熱和放熱速率,在一定程度上解決復合相變材料傳熱慢或不均的問題。膨脹蛭石和納米線表面作用對PEG相變行為和儲熱性能有不同程度影響。非等溫結(jié)晶行為研究發(fā)現(xiàn),銀納米線組分含量為0和19.3 wt%的PAE ss-CPCMs的半結(jié)晶時間分別延長~44%和~60%,但表觀活化能分別降低到-219.7 kJ/mol和-213.4 kJ/mol,表明膨脹蛭石和納米線協(xié)同作用促進PEG成核且抑制晶體生長,為定量解釋由結(jié)晶度下降引起的儲熱容量降低提供理論依據(jù)。納米線強化傳熱的復合相變材料儲熱能力有不同程度降低。采用碳納米管強化傳熱,通過調(diào)控膨脹蛭石組分,盡可能降低對PEG儲熱行為的影響,并利用碳納米管表面吸附PEG增加封裝容量(~13 wt%),構(gòu)筑潛熱和導熱率同時增加的PCE ss-CPCMs。采用膨脹蛭石封裝結(jié)合加入無機粒子氧化鋁的策略,通過兩者協(xié)同作用大幅抑制Na_2HPO_4·12H_2O相變材料的過冷行為(~1.4℃,抑制比例90.2%),揭示膨脹蛭石和氧化鋁表面上過冷行為抑制機理,為利用晶格參數(shù)與相變材料存在較大差異的成核劑降低水合鹽過冷行為提供新的途徑。首次設計并制備了高儲熱容量(~295 J/g)、高熱穩(wěn)定性和優(yōu)異相變循環(huán)熱可靠性(100次后潛熱損失2%)的硝酸鹽/膨脹蛭石中溫復合相變材料。闡明膨脹蛭石對硝酸鹽相變和儲熱行為的影響。提出了一種理論封裝容量計算新方法,具有廣泛的普適性。本文系統(tǒng)開展了膨脹蛭石基復合相變材料相關(guān)的理論和應用基礎(chǔ)研究。取得的成果為構(gòu)筑熱物性能優(yōu)異的低溫/中溫和有機/無機復合相變材料提供理論和技術(shù)支撐,也為我國豐富蛭石資源高附加值綠色利用開辟新途徑。
【學位單位】：中國地質(zhì)大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TB34
【部分圖文】：

1 化學反應、顯熱和潛熱存儲材料的應用性能對比 (Nazir et al念產(chǎn)生于 20 世紀 60 年代，在 1982 年快速發(fā)展，發(fā)表，成為研究熱點，研究者主要來自于中國、美國、日本變材料的理論和應用研究起步較晚，與發(fā)達國家相比，究所、華中師范大學、中國科技大學和廣東工業(yè)大學等單位。但經(jīng)歷近 20 多年發(fā)展，我國對相變材料的研究

發(fā)表關(guān)于相變材料的論文逐年上升，成為研究熱點，研究者主要來自于中國、美國、日本和法國等（圖1-2）。我國對相變材料的理論和應用研究起步較晚，與發(fā)達國家相比，較薄弱。中科院廣州能源研究所、華中師范大學、中國科技大學和廣東工業(yè)大學等是國內(nèi)較早研究相變材料的單位。但經(jīng)歷近 20 多年發(fā)展，我國對相變材料的研究取得長足的進步，發(fā)表相關(guān)論文數(shù)量全球第一。經(jīng)歷近 60 年的發(fā)展，相變材料研究重點逐漸從單一的相變材料到新型多元復合相變材料轉(zhuǎn)變，從單一功能到多功能轉(zhuǎn)變，從相變材料本身研究到儲熱器件或系統(tǒng)設計轉(zhuǎn)變等。相變材料應用過程中要求有潛熱的釋放，體系或系統(tǒng)與環(huán)境之間有能量交換，因此發(fā)生的只能是一級相變，這是作為相變材料的熱力學先決條件，即兩相轉(zhuǎn)變過程中自由能和化學勢相等，且化學勢的一級偏微商不相等。發(fā)生二級或更高級相變的材料因在相變過程中沒有潛熱釋放，因此不能用于熱能儲存（張仁元，2009）。由于相變材料發(fā)生一級相變，因此在相變過程中必定會伴隨體積變化，這將不利于相變材料的實際應用，應避免克服。相變材料相變過程中體系焓的變化來自于熵的變化，即相變材料分子運動自由度變化越大，則相變焓，即相變潛熱越大。相變潛熱來自于內(nèi)能的變化和體積功

圖 1-3 常見相變材料分類及其相變溫度范圍和潛熱大小 (Amaral et al., 2017)圖 1-4 不同種類相變材料的相變溫度和潛熱分布 (Su et al., 2015)

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本文編號：2810913