癸酸/膨胀蛭石复合材料的相变动力学研究及机理函数推断开题报告

2021-03-23 11:03

1. 研究目的与意义（文献综述）

相变材料(phase changematerials, pcm)是利用相态改变时吸/放热的特性实现能量存储/释放的一种新型功能材料, 具有相变潜热高、化学性质稳定等特点。相变材料利用本身的相变调控体系热量, 达到温度控制、节能保温等目的, 在电池热管理、建筑节能、航空航天、通讯、电力等领域应用广泛^[1-3]。如何对其性能进行有效的改善和利用, 已成为能源和材料领域的研究热点^[4]。

对于相变材料的制备及其在建筑节能方面的应用，人们研究的焦点在于怎样利用相变储能理论与技术创造出舒适、卫生、节能的建筑环境。相变过程可能很快发生，也可能很慢，这属于相变动力学研究的范畴。因此，对相变储能动力学理论的研究不仅具有很高学术价值，还会产生显著的经济效益和社会效益^[5]。

张磊等采用真空吸附法制备硬脂酸(sa)/膨胀石墨(eg)复合相变储热材料,利用差示量热扫描法(dsc)研究sa及sa/eg复合材料的非等温熔化和结晶过程动力学。运用kissinger和ozawa两种动力学数据处理方法对样品的非等温熔化dsc曲线进行处理,应用mo法分析各样品的非等温结晶动力学特性^[6]。

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2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容：

（1）采用毛细吸附法制备不同质量配比的癸酸-膨胀蛭石相变复合材料。

（2）通过XRD/SEM测试方法表征癸酸膨胀蛭石相变复合材料的组成、形貌。通过改变升温速率及组分，对复合材料进行DSC测试，得到不同条件下的热力学参数。

（3）利用Kissinger方程、Ozawa积分法计算其热力学方程和 Coats-Redfern 积分方程外推法，结合DSC检测数据，对相变进行相变机理函数的推断，确定其最概然函数。

2.2研究目标：

（1）掌握有机酸/膨胀蛭石相变复合材料的制备方法，通过不同的吸附温度和吸附条件确定复合材料的最大吸附量，并对其进行形貌、结构和热力学表征。

（2）熟练在不同升温速率下，对不同组分的相变复合材料进行DSC测试，记录相变材料的热力学参数，并学习推导内在联系。

（3）学习热力学方程的积分及外推方法，利用测得的热力学参数，尝试推导相变材料的热力学公式。

2.3技术方案：

（1）复合相变材料的制备

以癸酸为相变材料，膨胀蛭石为基质材料，确定癸酸在膨胀蛭石中最大吸附量，设计其不同成分配比，采用毛细吸附法制备癸酸膨胀蛭石复合相变材料。

（2）性能表征

通过XRD/SEM对所得的癸酸膨胀蛭石相变复合材料的组成、形貌进行表征。

（3）通过对癸酸膨胀蛭石相变复合材料进行不同升温速率的DSC分析，表征其热物性能。升温速率β分别为2℃/min、5℃/min、8℃/min、10℃/min和15℃/min，升温范围为-10～90℃，采用氮气气氛。

（4）通过Kissinger方程和Ozawa积分法计算其热力学方程，利用 Coats-Redfern 积分方程采用外推法对相变进行相变机理函数的推断，确定其最概然函数。

Kissinger方程：

Ozawa积分法：

Coats-Redfern积分方程:

其中为加热速率，为反应机理函数的积分形式，T为相变峰温，A为表观指前因子，R为气体常数，E为表观活化能。

3. 研究计划与安排

第1-2周文献调研，完成英文文献翻译，完成开题报告。

第3-4周设计研究方案，确定切实可行的实验技术路线，了解相关的结构和性能的测试方法；

第5-8周癸酸/膨胀蛭石基复合相变储热材料的制备；

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4. 参考文献（12篇以上）

[1] Cheralathan M,Velraj R, Renganarayanan S. Heat transfer and parametric studies of anencapsulated phase change material based cool thermal energy storagesystem[J]. Journal of Zhejiang University-SCIENCE A, 2006, 7(11):1886-1895.

[2] Ho C J, Gao J Y. Preparation and thermophysicalproperties of nanoparticle-in-paraffin emulsion as phase change material ☆[J]. International Communications in Heat amp; MassTransfer, 2009, 36(5):467-470.

[3] #350;eyma #304;nce, Seki Y, Ezan M A, et al. Thermalproperties of myristic acid/graphite nanoplates composite phase changematerials[J]. Renewable Energy, 2015, 75(75):243-248.

[4] 李云涛，晏华，汪宏涛，王群. 膨胀石墨硬脂酸复合相变材料的相变动力学[J]. 材料研究学报,2016,30(12):921-930，1005-3093.

[5] 张妮. 复合相变蓄热材料的制备、相变动力学研究及在建筑材料中的应用[D]. 华南理工大学, 2012.

[6] 周卫兵, 张磊, 朱教群,等. 硬脂酸/膨胀石墨复合相变储热的动力学研究[J]. 武汉理工大学学报, 2012, 34(7):9-13.

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[8] 张正国, 邵刚, 方晓明. 石蜡/膨胀石墨复合相变储热材料的研究[J]. 太阳能学报, 2005, 26(5):98-102.

[9] 李云涛，晏华，汪宏涛，王群. 膨胀石墨硬脂酸复合相变材料的相变动力学[J]. 材料研究学报,2016,30(12):921-930，1005-3093.

[10] 张妮. 复合相变蓄热材料的制备、相变动力学研究及在建筑材料中的应用[D]. 华南理工大学, 2012.

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[12] Qisheng W U,Ying Q, Shuiping L I, et al. Study of Capric Acid and Hexadecanol/ExpandedGraphite Composite as Phase Change Material for Thermal Energy Storage[J].Journal of Building Materials, 2014, 17(1):84-88.

[13] 胡光锁. 蛭石膨胀机理及膨胀蛭石性质的研究[D]. 北京工商大学, 2006.

[14] 苗朝, 彭同江. 微波法制备膨胀蛭石的试验研究[J]. 非金属矿, 2010, 33(3):12-15.

[15] Karaipekli A, Sar#305; A.Capric–myristic acid/expanded perlite composite as form-stable phase changematerial for latent heat thermal energy storage[J]. Renewable Energy, 2008,33(12):2599-2605.

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