【摘要】：潛熱儲(chǔ)能模式的相變材料在航天器熱控方面具有很大的優(yōu)勢(shì),但低熱導(dǎo)率和易泄漏的缺點(diǎn)嚴(yán)重制約了相變材料在儲(chǔ)能和熱管理方面的應(yīng)用。高熱導(dǎo)率的石墨烯材料為高性能相變復(fù)合材料的發(fā)展提供了新的機(jī)遇。本文利用石墨烯材料構(gòu)建宏觀導(dǎo)熱骨架結(jié)構(gòu),同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)相變材料導(dǎo)熱性能的提升和液相的封裝,成功制備了石墨烯基相變儲(chǔ)能復(fù)合材料。針對(duì)石墨烯泡沫特征形貌,構(gòu)建表征體單元,利用有限元方法對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)熱機(jī)理進(jìn)行研究。首先制備了石墨烯泡沫基相變儲(chǔ)能復(fù)合材料,并利用有限元方法對(duì)其進(jìn)行導(dǎo)熱機(jī)理分析。以氧化石墨烯水溶液為原料,利用定向凝固冰模板法結(jié)合還原和熱處理技術(shù),制備了石墨烯泡沫,填充石蠟后獲得了復(fù)合材料。石墨烯泡沫呈現(xiàn)出有序分布的蜂巢狀微孔結(jié)構(gòu),單位質(zhì)量分?jǐn)?shù)石墨烯泡沫可對(duì)基體相變材料帶來(lái)214%的熱導(dǎo)率增長(zhǎng)率,而構(gòu)成石墨烯泡沫孔壁的微片熱導(dǎo)率可達(dá)74.06-110.94W/mK,從而提高了相變材料的吸/放熱速率。模擬分析表明,孔壁熱導(dǎo)率和界面熱阻是影響復(fù)合儲(chǔ)能材料熱響應(yīng)的關(guān)鍵因素。然后在結(jié)構(gòu)中引入石墨烯導(dǎo)熱膜,獲得內(nèi)嵌定向?qū)崮さ膹?fù)合材料,以進(jìn)一步強(qiáng)化復(fù)合材料內(nèi)的傳熱過(guò)程。該材料以0.94wt%的質(zhì)量代價(jià)獲得了24.71倍的熱導(dǎo)率提升,相當(dāng)于單位石墨烯含量使相變材料熱導(dǎo)率提高了2628%,對(duì)相變材料熱傳導(dǎo)增強(qiáng)效果顯著。最后,在給定工況下利用Fluent軟件中的熔化/凝固模型對(duì)復(fù)合材料相變傳熱過(guò)程進(jìn)行模擬,以分析不同石墨烯骨架對(duì)相變材料熱響應(yīng)速率的影響。結(jié)果表明石墨烯膜的加入大大降低了復(fù)合材料厚度方向的溫度梯度,使熱響應(yīng)效率得到極大提升。
【圖文】：

圖 1.1 CVD 法石墨烯泡沫的典型結(jié)構(gòu)（摘自文獻(xiàn)[25]）[28]采用一種相對(duì)溫和的方法，通過(guò)化學(xué)還原的手段從氧尺寸的石墨烯泡沫，熱處理?xiàng)l件為氬氣氛圍下 450℃5 泡 沫 的 熱 導(dǎo) 率 為 0.12 0.36W ( m K)， 石 墨 烯 泡致熱導(dǎo)率偏低的原因除了泡沫過(guò)高的孔隙率、利用化及石墨烯片層界面處大的邊界熱阻，另一個(gè)因素是構(gòu)成低。作者進(jìn)一步利用混合理論和有效介質(zhì)理論（EMT，

圖 1.2 根據(jù)電鏡照片構(gòu)建的用于有限元分析的模型示意圖（摘自文獻(xiàn)[48]）通過(guò)對(duì)泡沫微觀結(jié)構(gòu)的抽象簡(jiǎn)化構(gòu)建有限元模型，在合理假設(shè)條件下分析結(jié)構(gòu)尺素及界面因素對(duì)材料發(fā)揮導(dǎo)熱能力的影響，可以對(duì)實(shí)驗(yàn)制備工藝提出合理建議。借上資料，針對(duì)本文所研究的石墨烯基相變儲(chǔ)能復(fù)合材料，擬分析構(gòu)成石墨烯泡沫壁墨烯材料熱導(dǎo)率、泡沫的尺寸因素、接觸熱阻等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)材料的導(dǎo)熱性能的影響.3.研究?jī)?nèi)容和方法通過(guò)上述分析，本文將利用冰模板法構(gòu)建泡沫骨架，通過(guò)還原和熱處理獲得導(dǎo)熱烯泡沫，將其與相變材料復(fù)合獲得復(fù)合相變儲(chǔ)能材料。根據(jù)石墨烯泡沫的特征微觀構(gòu)建表征體單元，利用有限元方法分析單元壁熱導(dǎo)率、表征體尺寸及熱阻因素對(duì)復(fù)料導(dǎo)熱性能的影響。利用 Fluent 軟件中的熔化/凝固模型對(duì)復(fù)合材料的相變傳熱過(guò)行模型，參照某行器內(nèi)部電子元件熱載荷狀況和熱防護(hù)要求，利用制備的復(fù)合材料溫控模擬，分析不同結(jié)構(gòu)對(duì)溫控效果的影響。根據(jù)以上思路，本文的主要內(nèi)容包括（1）石墨烯泡沫基相變儲(chǔ)能復(fù)合材料的制備及導(dǎo)熱機(jī)理的分析利用氧化石墨烯粉末獲得均勻的水溶液，接著利用冰模板法結(jié)合真空冷凍干燥技
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V259;V444.3

【參考文獻(xiàn)】

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