月桂酸定形相变储热材料的制备及性能研究

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月桂酸定形相变储热材料的制备及性能研究

邱峰

武汉理工大学

摘要：由相变材料(PCM)和支撑材料复合而成的定形相变材料(SSPCM)，兼具固-固PCM

的宏观形状稳定性和固-液PCM 相变潜热大、体积变化小等优点，成为热能存储技术中研

究的热点材料之一。目前，广泛使用的支撑材料主要包括硅藻土、膨胀石墨、金属泡沫和

气凝胶等，但上述材料制备工艺复杂且原料来源有限。直接利用固体废弃物和可再生资源

作为支撑材料，通过简单可靠的工艺制备高性能的 SSPCM，在 PCM 大规模化生产中具有

重大的意义。本文以粉煤灰(FA)和木棉纤维(KF)为原材料，经过简单改性处理制得改性粉

煤灰(mFA)和碳化木棉气凝胶(CKF)。并以 mFA、KF 和CKF 为支撑材料，月桂酸(LA)作

为PCM，采用真空熔融浸渍法制备出一系列 SSPCM。利用多种测试方法对支撑材料和

SSPCM 的形貌和结构进行表征，并研究了 SSPCM 的热性能和循环稳定性。本文结论如下：

　　(1)通过碱改性的方法对 FA 进行表面处理，制备出具有多级孔隙结构的 mFA，并以此

作为支撑材料负载 LA，获得了具有导热增强、高储热密度的 LA/mFASSPCM。FA 的最佳

表面改性条件为，NaOH 浓度为 2M、温度为 90℃；改性后 mFA 的比表面积由 FA 的

2.68m2/g 增加到 10.32m2/g，提高了 3.85 倍；mFA 中Al2O3 的相对含量由 FA 的

31.26wt％增加到 38.70wt％；LA/mFASSPCM 的潜热和热导率分别为 65.7J/g 和

0.52W/mK，比 LA/FASSPCM 提高了 51.7％和 67.7％，LA 与mFA 之间仅存在物理吸

附作用；LA/mFASSPCM 的热损失率为 2.1%，仅为 LA/FASSPCM 的1.8%。经过 1000

次熔融/结晶循环实验，LA/mFASSPCM 的熔融和结晶温度变化仅为±0.3℃，熔融和结晶

潜热波动仅为±0.2％。　　(2)以KF 为支撑材料，LA 为PCM，通过真空熔融浸渍的方法

制备了 LA/KFSSPCM，进一步利用化学的方法对微管两端进行封端，制备出了 SiO2 封端

的LA/KF/SiO2SSPCM。KF 为直径 20μm，壁厚 1μm 的中空微管，中空度高达 90vol

%；制备的 LA/KFSSPCM 的LA 负载量为 82.6wt%，熔融潜热为 144.9J/g，熔融温度为

43.9℃；经过 300 次热循环后 LA/KFSSPCM 熔融潜热的波动为±3%，熔融温度变化为

±0.3℃，具有极强的循环稳定性；利用正硅酸乙酯(TEOS)水解生成的 SiO2 成功的对

LA/KFSSPCM 进行了封端处理，封端后 LA/KFSSPCM 仍具有 92.2J/g 的熔融潜热。　　

(3)以高温煅烧 KF 制备的 CKF 为支撑材料，LA 为PCM，采用真空熔融浸渍法制备了

LA/CKFSSPCM。700℃下制备的 CKF 具有由碳纤维管相互穿插搭接形成的三维网络结构

和较高的压缩强度 48.7KPa；LA/CKFSSPCM 中LA 的负载量为 93.8wt%；LA/

CKFSSPCM 的熔融和结晶潜热分别为 164.5 和161.9J/g，且具有较低的过冷度和热损失

率，仅为 2.1℃和1.6%；与 CKF 复合后 LA 对全波段太阳光具有良好的吸收能力，有效

的提高了 LA 的太阳能利用率；LA/KFSSPCM 具有优异的热稳定性能，经过 500 次熔融/

结晶实验，熔融和结晶温度变化仅为±0.4℃，熔融和结晶潜热波动仅为±1.2％。

关键词：

相变材料月桂酸粉煤灰木棉纤维热能存储制备工艺

授予学位：

硕士

学科专业：

材料科学与工程

导师姓名：

王庆

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摘要：

月桂酸定形相变储热材料的制备及性能研究邱峰武汉理工大学摘要：由相变材料(PCM)和支撑材料复合而成的定形相变材料(SSPCM)，兼具固-固PCM的宏观形状稳定性和固-液PCM相变潜热大、体积变化小等优点，成为热能存储技术中研究的热点材料之一。目前，广泛使用的支撑材料主要包括硅藻土、膨胀石墨、金属泡沫和气凝胶等，但上述材料制备工艺复杂且原料来源有限。直接利用固体废弃物和可再生资源作为支撑材料，通过简单可靠的工艺制备高性能的SSPCM，在PCM大规模化生产中具有重大的意义。本文以粉煤灰(FA)和木棉纤维(KF)为原材料，经过简单改性处理制得改性粉煤灰(mFA)和碳化木棉气凝胶(CKF)。并以mFA...

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