掺加石墨烯对月桂酸-硬脂酸相变复合材料的热性能影响研究开题报告

 2020-02-10 10:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

当今世界,经济迅猛发展,对能源的需求也越来越大。随着矿物化石燃料不可再生能源的日益消耗,对能源的节约与回收显得越发重要。储能技术可以克服能量供需在时间和空间上不匹配的矛盾,可以有效的提高能源的利用率和合理性,在可再生能源的合理分配中的作用尤其突出,亦在航空航天、军事、建筑、纺织、电子保温、余热回收、太阳能利用等领域运用广泛。一般来说,储能技术有三大类:显热储能、潜热储能、热化学储能。相较于显热储能与热化学储能,相变储能在能量密度及稳定性方面有较大优势。

相变储能材料(PCM,Phase ChangeMaterial)是指随温度变化而改变物理性质并能提供潜热的物质,在其物相变化过程中,可从环境中吸收热量或向环境中放出热量,从而达到能量储存、释放、调节能量需求和供给失配的目的,因其具有能量密度大、体积变化小、相变过程中温度波动小的优点而受到广泛关注。根据相变机理,可将相变储能材料分为固-固、固-气、液-气、固-液四类,其中固-液相变材料因其在相变前后体积变化小、相变温度范围广、相变潜热大、稳定性好而成为近年来相变材料研究的热点。为解决固-液相变材料易泄露的问题,定形相变材料引起了较大关注。

常用的相变储能材料主要分为无机和有机相变材料两大类。由于无机相变储能材料对建筑结构具有腐蚀性且在相变过程中有相分离和过冷度大等缺点,其应用有较大的局限性。有机相变储能材料具有无腐蚀性、几乎无相分离、化学性质稳定、无毒、价格低等优点,故而应用较为广泛。但其也存在导热系数较低、封装过程中易泄漏等缺点。

近年来,为克服有机相变材料的不足,国内外的研究人员针对有机相变储能材料制备方法与性能进行了一系列的研究,如:朱教群等[1]以己二酸为相变材料,通过水热反应制备己二酸/二氧化硅相变储能材料,得到在己二酸含量分别为30%和50%时的相变温度峰值(139.0℃和140.5℃)及相变焓(48.82 J/g和71.89 J/g);周卫兵等[2]以己二酸为相变材料,采用膨胀石墨为导热增强项,采用机械混合和熔融吸附的方法制备相变储能材料,探究得到当参量为8%(质量分数)时,制备得到的相变复合材料的熔化、凝固相变潜热为237.66 J/g,220.49 J/g,导热系数为2.99 W/(m#8226;K);刘燕等[3]以癸酸为相变材料、多孔膨胀珍珠岩为支撑载体,采用真空吸附法制备复合相变储能材料,研究得到膨胀珍珠岩对癸酸的最大吸附量为70%,相变潜热为109.74 J/g,相变起始温度为30.91℃,相变峰值为32.36℃,相变终止温度为34.22℃;吴芳等[4]将癸酸与月桂酸混合制成癸酸-月桂酸低共熔体系,研究了其相变行为和相变潜热,得到了当癸酸含量占二元体系质量的40%-60%时,混合物的相变温度为20-25℃,相变潜热为93-102 J/g的结论,可以作为调节室内温度的相变储能材料使用;尹徐影等[5]将棕榈酸与石蜡复合制备了一系列配比不同的复合储能材料以改善石蜡导热系数小的缺陷,并对此复合相变储能材料的热物理性质进行了表征;Ali Karaipekli[6]以癸酸一肉蔻酸低共熔物为相变材料、膨胀珍珠岩为载体,制备了癸酸-肉蔻酸/膨胀珍珠岩复合材料,癸酸-肉蔻酸的吸附量可达55%,没有渗出;席国喜等[7]以硬脂酸为相变材料,将硅藻土作为复合相变储能材料载体,探究得到该复合材料中硬脂酸的适宜含量为65%,相变温度为61.6℃,相变潜热为142.87 J/g,含量超过65%时复合材料会发生液体泄漏;翟天尧等[8]基于“熔融吸附-模压成型”的制备方法,制备高导热膨胀石墨/硬脂酸定形相变储能复合材料,探究了膨胀石墨膨胀度的增大对定形相变储能复合材料的径向热导率起到了很大的改善作用;钱云霞等[9]采用溶胶-凝胶法制备出硬脂酸/二氧化硅复合相变材料,采用水热法制备出己二酸/二氧化硅复合相变储热材料,并对其性能进行了研究;Alkan等[10]以脂肪酸为相变材料,Mills等[11]以石蜡为相变材料,王月祥等[12]以硬脂酸-月桂酸二元低共熔物为相变材料,通过与不同基质的复合制备出不同的符合相变储能材料,并对其储/放热性能、微观结构、热导率、热稳定性等性能进行了系统的测试与研究。

石墨烯(Graphene)作为一种碳原子单层片状结构新型材料,具有优良的导电性(lt;10-6 #8486;·cm)和导热性、室温下电子迁移率高(gt;15000 cm2/(V·S)),断裂强度达130 GPa,比表面积达2630 m2/g,吸附性强,量子隧道效应特殊、半整数的量子霍尔效应等性能(室温),独特的零带隙能带结构,化学性能稳定,透光性好(97.7%)。在能源储存、传感器和柔性电子等诸多领域具有较大的科学研究和应用开发空间[15]

陈素清等[22] 以N,N,N-三甲基-1-十六烷基溴化铵(CTAB)改性剂,氧化石墨烯(GO)经有机化改性、还原反应制得功能化石墨烯(CTAB-RGO),并作为强化传热载体对癸酸-十二醇(CA-LA)共混物(相变储能材料)进行导热增强改性,获得新型石墨烯导热增强相变储能材料;任丽[23]采用熔融共混法制备了月桂酸-棕榈酸低共熔脂肪酸并添加功能化石墨烯作为导热增强相,通过研究得到石墨烯可以显著改善该相变材料的导热系数,且随石墨烯量的增大而增加。

本课题以月桂酸-硬脂酸二元低共熔物作为相变材料,以石墨烯作为导热增强相,制备得到复合相变材料,并针对其热物性能进行一系列研究,探究复合相变材料的最佳配比和热稳定性。


2.研究(设计)的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1 基本内容

材料制备:

(1)相变材料的制备:将配比为75.5:24.5的月桂酸-硬脂酸混合后放入80℃烘箱中加热熔化,再将熔化后的液相放置于磁力搅拌器中加热80℃搅拌2h得到均匀混合的相变材料。

(2)复合相变材料的制备:分别向相变材料中掺加石墨烯、纳米二氧化硅以提高材料的导热系数、热容。为了保证不大幅度损失材料的潜热,将掺加石墨烯、纳米二氧化硅的量控制在5 wt%以内。选取0 wt%、1 wt%、1.5 wt%、2 wt%作为实验配比。

具体制备过程如下:

分别将(1)中制备好的相变材料与不同配比的石墨烯、纳米二氧化硅混合后,在80℃磁力搅拌器中充分吸附6h,冷却后得到月桂酸-硬脂酸/石墨烯、月桂酸-硬脂酸/纳米二氧化硅复合相变材料。

材料表征:

a.采用透射电子显微镜(TEM)分析所制备的复合相变材料的物相结构。

b.采用傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)分析相变材料及所制备的复合相变材料的化学结构组成。

c.利用扫描电子显微镜(SEM)对复合材料进行微观形貌分析。

d.采用差示扫描量热仪(DSC)测试复合相变材料的相变焓和相变温度。

2.2 研究目标

a.了解国内外相关研究概况和发展趋势,了解选题对社会、健康、安全、成本以及环境等的影响。

b.掌握石墨烯对月桂酸-硬脂酸相变复合材料的制备方法。

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