相变存储材料（精选7篇）
相变存储材料 篇1
近年来,随着经济的发展,全球能源需求剧增,能源短缺和环境问题变得越来越严峻,相变储能材料(phase change materials)作为一种新兴的节能材料,以其环保、成本低廉、制备方法简便等独特的优势,已经成为国内外能源利用和材料科学方面研究的热点[1,2,3,4,5]。从相变材料的化学组成来看,主要分为无机相变材料和有机相变材料,与无机类相变储能材料相比,有机类相变储能材料通常具有更好的热性能和化学性能,如无过冷析出、性能稳定、无毒、无腐蚀等受到研究者的广泛青睐[6,7,8]。其中石蜡由于其相变潜热量大、相变温度范围广、价格低,在相变储能材料的研究使用中受到广泛的重视[9,10]。但与其他有机类相变材料一样,石蜡作为有机相变储能材料也存热导率较低、液相时形状不稳定、易泄漏等缺点,限制了其广泛应用。为了克服这些缺点,同时改善其应用效果及拓展其应用范围,复合相变储能材料应运而生。其中,多孔二氧化硅(SiO2)由于具有良好的导热性能、形貌结构可控以及优异的吸附性能,可以制成纳米复合定形相变材料,克服目前高分子材料导热系数低、耐热性差等缺陷。同时也弥补了常规胶囊致密性和强度较差的不足。此外,硫化铜(CuS)作为一种重要的过渡金属硫化物,具有良好的可见光吸收、光致发光等性能,在太阳能电池、光热转换、气敏传感器等领域具有很好的应用前景[11,12,13]。
本研究采用分步合成法先制备出CuS纳米粉体,然后通过硅酸乙酯(TEOS)碱性条件下水解,原位合成出了石蜡/SiO2/CuS复合的相变材料,该复合相变材料以石蜡为相变物质,CuS纳米粒子起光热转换作用,充分利用多孔SiO2的强吸附能力,吸附支撑石蜡和CuS纳米粒子,既能提高相变材料的稳定性和导热性,也明显提升了复合相变材料的光热转换性能。
1 实验部分
1.1 材料
TEOS(AR)、石蜡(AR)、无水乙醇(AR)、氨水(25% ~28%)、正戊醇(AR)、十六烷基溴化铵(CTAB)、醋酸铜(AR)、乙二胺四乙酸(EDTA,AR)、硫化钠(AR)均购于上海国药化学试剂有限公司;去离子水(自制)。
1.2 仪器
250mL三颈烧瓶、机械搅拌器、烧杯、分析天平、超声清洗仪、恒温干燥箱、恒温水浴锅、量筒、白炽灯(25W)、离心机、研钵。X射线衍射仪(XRD),日本岛津公司XRD-6000(Cu-Kα线,λ=1.5418);扫描电镜(SEM,S-4800),日立公司;热重分析仪(TG,SDT-2960型);差示扫描量热仪(DSC,Q2000型);光热转换测量仪;尼康相机(J1型)。
1.3 CuS的制备
用分析天平称取2.00g硫化钠放入50mL烧杯中,加入20mL水,磁力搅拌至硫化钠完全溶解。另称取1.00g醋酸铜、1.46g EDTA放入250mL烧杯中,加入100mL去离子水,磁力搅拌至醋酸铜及EDTA全部溶解,并在搅拌下将硫化钠溶液加入其中,40℃恒温水浴搅拌5h后取出,静置冷却后离心清洗,再放入80℃恒温干燥箱中干燥12h,得到CuS纳米粉末。
1.4 石蜡/SiO2/CuS复合相变材料的制备
称取4.00g石蜡,1.50g十六烷基氯化铵,0.40g CuS粉末于250mL三颈烧瓶,相继加入10mL正戊醇和100mL无水乙醇,超声分散10min后放入65℃ 恒温水浴锅中机械搅拌1h。随后量取10mL硅酸乙酯,缓慢加入三颈烧瓶中,65℃恒温水浴继续搅拌2h。再缓慢加入10mL去离子水。继续65℃恒温水浴搅拌1h后加入250μL浓氨水,然后每隔1h用移液器加入250μL浓氨水,共加入4次。随后将三颈烧瓶取出静置一段时间,待液体冷却至室温后离心清洗。然后放入80℃的恒温干燥箱中干燥12h,得到黑色粉末样品,即为石蜡/SiO2/CuS复合相变材料。不加CuS的对比样品,石蜡/SiO2相变材料也通过上述方法制得。
2 结果与讨论
2.1 产物的结构表征分析
分别对石蜡/SiO2、CuS和石蜡/SiO2/CuS复合相变材料进行XRD分析,如图1所示。图1中曲线a为石蜡/SiO2的XRD谱图,在2θ=21.81°和2θ=24.43°出现2个尖锐的衍射峰,分别对应石蜡的(110)晶面和(200)晶面。由曲线c可见,所有的衍射峰与CuS的特征衍射峰相一致(JCPDS号:03-1090)。而石蜡/SiO2/CuS复合相变材料的XRD谱图中(曲线b),除了在与曲线a对应角度的曲线上出现了相同明显的石蜡衍射峰外,在2θ=27.680°、29.553°、47.832°、21.81°和59.175°也出现了较小的CuS特征衍射峰,图中CuS的衍射峰强度很弱是因为复合材料中CuS的含量很少。SiO2为无定形相,XRD谱图中没有特征衍射峰出现,但曲线a和曲线b中,在2θ=21.7°到2θ=22.9°之间出现了1个宽化的鼓包,这与文献报道的相一致[9]。
(a:石蜡/SiO2;b:石蜡/SiO2/CuS复合相变材料;c:CuS)
图2所示为石蜡/SiO2/CuS复合相变材料的扫描电子显微镜(SEM)照片。从图2(a)可以看出样品形貌呈海绵状,具有三维网状结构,这主要归因于作为基体的SiO2的多孔网络结构。这种结构其毛细作用力和表面张力使得石蜡在发生固液相变的过程中,能够很好地封装在SiO2的微孔结构内,不至于泄露渗透出来,同时SiO2作为基体材料形成空间导热网格提高了复合相变材料的导热性能。从图2(b)放大的照片中可以清楚看到石蜡和CuS很好的分散到SiO2三维网络空间中,复合相变材料分布均匀性好。
图2石蜡/SiO2/CuS复合相变材料的SEM照片
图3所示为石蜡/SiO2/CuS复合相变材料的热重分析(TGA)曲线,热重分析是在氮气作为载气条件下进行测试的。在该曲线中,150℃以下少量的失重(约为1.47%)主要是由于该复合材料吸附的水分子以及残余溶剂的蒸发而引起的。在200~350℃ 之间,该材料质量急剧下降,总共失重了约57.38%,这段温度失重主要是石蜡受热而挥发引起的,并且复合材料的失重温度相对于文献报道的纯石蜡的有很大的提高,表明SiO2载体能明显改善复合材料中石蜡的热稳定性[9]。最后剩下的41.15%则是SiO2和CuS。由此可以计算出,在该复合相变材料中石蜡的负载率约为58.24%。
2.2 产物的储/放热性能分析
石蜡/SiO2/CuS复合相变材料的储热性能通过DSC进行表征。图4所示为石蜡/SiO2/CuS复合相变材料的DSC的曲线。由图可以读出复合相变材料的熔点和凝固点分别为54.33℃和50.49℃,其相变温差为3.84℃。这里把熔点和凝固点之间的温度差定义为过冷度,而材料的过冷度是影响它们热能转换和工程应用的关键因素,相对于文献报道的纯石蜡的过冷度(约为11.5℃),该复合材料的过冷现象明显减弱了,这主要归功于SiO2基体多孔纳米结构的小尺寸效应、良好的导热性以及相变过程的异质成核原理[14,15]。另外从图中还可以得到石蜡/SiO2/CuS复合相变材料具有较高的相变潜热115.7J/g,而其相变温度也不高,适合太阳能蓄热、常温相变储能等应用领域。
泄漏测试可以表明所制备的复合相变材料在使用过程中的形态稳定性。图5所示分别为纯石蜡和石蜡/SiO2/CuS复合相变材料在80℃下加热不同时间的泄露测试照片。由图中可以明显看出纯石蜡在加热10min后已经完全融化,而石蜡/SiO2/CuS复合相变材料在整个加热过程中保持干燥粉末形态,并无任何融化和泄露现象,这进一步表明SiO2在复合相变材料中提供材料的机械强度,并阻止石蜡溶化后的泄露。
图5纯石蜡(a)和石蜡/SiO2/CuS复合相变材料(b)分别在80℃下加热不同时间的照片
2.3 光热转换测试
为了进一步储存和利用太阳光,拓展复合相变材料的实际应用范围,对其进行了光热转换性能测试,测试结果如图6所示。该图为石蜡/SiO2和石蜡/SiO2/CuS复合相变材料在模拟太阳光(25W白炽灯)照射下的时间-温度曲线。与石蜡/SiO2样品相比,由于CuS优异的可见光吸收和光热转换性能,能够将更多的光能转换成热能,石蜡/SiO2/CuS复合相变材料的温度明显高于石蜡/SiO2样品温度。石蜡/SiO2复合材料在光照下的最高温度只能达到40℃,无法实现热能存储,而石蜡/SiO2/CuS复合相变材料最终稳定在58℃ 左右,可达到石蜡的相变温度,经相变过程而进行热能存储。因此,CuS的加入能显著改善复合相变材料的光热转换性能,拓展其应用范围。
3 结论
利用SiO2的网络多孔结构,采用石蜡作为相变材料,并结合CuS独特的光学特性,采用分步法制备出了石蜡/SiO2/CuS复合相变材料。实验结果证明SiO2能有效吸附石蜡防止其泄露,石蜡在复合材料中的质量分数为57.38%的复合相变材料相变潜热可达到115.7J/g;而CuS的加入则明显地提升了复合相变材料的光热转换性能,这也为将来太阳能的光热转换和存储利用提供了新思路。
摘要：以石蜡作为相变材料,结合二氧化硅良好的热稳定性、化学稳定性和硫化铜优异的光热转换特性等优点,设计制备出新型“石蜡/SiO2/CuS”纳米复合相变材料,利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、热重分析仪和差示扫描量热法等分析测试手段对该复合材料的结构和相变储热性能进行表征,并在光照下测试了该复合相变材料的光热转换和热存储效果。结果表明,由于硫化铜的加入,复合相变材料的光热转换性能得到明显提升,这为将来太阳能的光热转换和存储利用提供了新思路。
关键词：石蜡,二氧化硅,硫化铜,相变储热,光热转换
相变存储材料 篇2
11月28日, 宁波时代全芯科技有限公司在宁波现场发布了自主研发的55纳米相变存储芯片。这一成果的发布, 使该公司成为继韩国三星、美国美光之后, 世界上第三家、中国第一家拥有相变存储技术自主知识产权的企业, 业内人士认为这将有利于打破存储器芯片生产技术被国外公司垄断的局面。
目前静态随机存储技术、动态随机存储技术和快闪存储技术应用最为广泛。近几年才逐渐步入商品化的最新一代存储技术——相变存储技术, 由于是利用材料相变产生不同的特性作资料存储, 存储容量远远大于目前的高端硬盘。与现有传统芯片相比, 相变存储器执行速度快1000倍, 耐久性多1万倍。与快闪存储一样, 相变存储是非挥发性的, 但比快闪存储更耐用, 通常快闪存储持续约为10万次读/写, 而相变存储的耐用性数千至百万倍于闪存, 其编程速度也比闪存具有数量级的优势, 因此, 这一新技术被认为会带来一个颠覆性的存储新时代。
实际上相变存储技术的研发历史已经有30多年, 但是直到最近几年, 由于快速结晶材料的发现才开始迈入商业化阶段。第一批商业化的相变存储产品预计在今年内推出, 而其主流产品, 如替代传统硬盘的固态硬盘将于2014年推出。目前, 全球只有三星、美光等国外厂商拥有商品化的相变存储产品, 而宁波时代全芯公司自主研发的55纳米相变存储芯片让我国首次闯入了以前由外国厂商垄断的相变存储市场。
相变存储材料 篇3
相变储能技术能解决能量供求在时间和空间上不匹配的矛盾, 满足人们对工程和产品的技术经济要求, 同时又能提高能源利用率[1]。由于单一相变材料的热传导性都很低, 在发生相变过程中容易出现泄漏问题, 影响其在储能技术领域的应用。复合相变储能材料既能有效克服单一无机物或有机物相变储热材料存在的缺点, 又可以改善相变材料的应用效果及拓展其应用范围, 在此领域国内外学者做了很多实验研究和理论分析。膨胀石墨是由天然鳞片石墨经石墨插层、水洗、干燥、高温膨化得到的一种疏松多孔的蠕虫状物质, 经过高温膨化后, 石墨原先的平面层明显裂开而产生不均匀变形, 且平面层呈卷曲状态, 表面为网状孔型结构。利用膨胀石墨具有良好的吸附性能和导热性能的特点, 将液态石蜡吸附在膨胀石墨的孔道内, 制备出具有高导热系数的石蜡/膨胀石墨复合相变储热材料。张正国等[2]对石蜡/膨胀石墨复合相变材料的微观结构及热性能进行了研究。Ahment Sar1[3]利用膨胀石墨对石蜡的吸附效果好, 研究了其复合材料的热导率和潜热能。
从目前的文献看, 关于膨胀石墨/石蜡复合相变储热材料的性能研究主要集中于测试导热系数和储、放热性能。汤勇等[4]建立了纤维复合相变材料相变问题的焓法求解传热模型, 用以求解复合相变材料在相变过程中流体温度和固-液相变界面随时间和空间的变化, 借此模拟分析相变蓄热材料的放热性能。王哲斌[5]采用FLUENT软件对其蓄热熔化过程进行数值模拟, 获得了石蜡熔化过程温度场分布、熔化时间以及相界面移动规律。本研究则是在前期工作基础上采用层状复合材料的热传导模型[6], 通过ANSYS模拟软件强大的热分析功能, 分析研究膨胀石墨/石蜡相变过程中材料内部的温度场分布。
1 石墨/石蜡复合相变材料的物理模型
图1为膨胀石墨/石蜡复合相变材料的热传导模型。在层状石墨中填充石蜡, 形成分布均匀的复合相变材料, 整个复合材料体系可以看成由基本单胞重复堆砌而成。在单元体顶面施加恒定温度载荷, 其它面施加绝热边界条件, 热流由顶面流入, 底面流出。对于所研究的石墨/石蜡复合相变材料可作如下假设: (1) 石蜡与膨胀石墨之间不存在空隙, 相变材料各向同性; (2) 忽略相变材料固、液态热物性的不同, 并认为相变材料的热物性参数均为常数; (3) 相变温度是在一定温度范围内; (4) 相变过程中热量传递以导热为主, 忽略自然对流的影响; (5) 对外界环境的无热损。
2 数学模型
考虑到膨胀石墨与石蜡之间由于传热特性的不同会引起局部热不平衡现象, 建立了不同的温度模型[7], 运用2个能量方程分别求解膨胀石墨与相变材料之间的温度场[8]。
控制方程:
undefined
m=1时材料是膨胀石墨, m=2时材料是石蜡。
采用焓法求解, 以焓为变量, 建立满足整个求解域的能量方程。由于焓包含了潜热, 相变的影响自动地包含在焓形式的能量方程中, 因而不需要考虑固/液移动界面。假定相变过程在一定温度范围内发生, 则焓可以表示为温度的分段连续函数。
式中:c为定压比热;下标s和l分别代表相变材料固相和液相;[Ts, Tl]为相变温度区间;H为单位质量的焓值;L为单位质量的相变潜热。
边界条件:
undefined
undefined
初始条件:
T=T0, t=0 (7)
3 数值模拟与分析
相变问题是一种非线性的瞬态热分析问题, 非线性与线性问题的唯一差别在于非线性问题需要考虑相变过程中吸收或释放的潜热 (物质发生物态变化, 在温度不发生变化时吸收或放出的热量) 。ANSYS通过定义材料随温度变化的焓来考虑潜热, 图2为由固态到液态的相变过程中焓值的变化曲线[9]。
焓值的变化ΔH可描述为密度、比热以及温度的函数:
由式 (8) 可见, ΔH是密度与比热乘积对温度的积分, 其单位为J/m3。
通过相关实验研究并进行性能测试, 相变材料石蜡的焓值见表1, 材料的其它热特性参数见表2。
从图3 (a) 中可以看出纯石蜡有一部分还处在相变区, 图3 (b) 中上层石蜡已融化, 底层石蜡也已经全部融化。在添加膨胀石墨的膨胀石墨/石蜡复合相变材料中, 其融化过程中的温度分布也不均匀, 主要原因是上层石蜡受恒热流, 温度升高发生相变, 而石蜡在相变过程中要吸收大量相变潜热, 因而延缓了膨胀石墨向下层石蜡进行热量传导的速率, 使整个体系升温相对缓慢, 进而造成上下温度场分布也不均匀。
由图4 (a) 可知, 由于纯石蜡的热导率低, 导致石蜡温度分布不均匀, 上层温度远远高于底层温度。图4 (b) 中膨胀石墨与相变材料之间由于热导率的不同, 存在局部热不平衡现象, 大部分热量由上层石蜡传递给膨胀石墨, 再由膨胀石墨传递给底层石蜡。但石蜡上层和底层却几乎不存在温差, 表明膨胀石墨在膨胀石墨/石蜡复合相变材料的热量传导中起到明显的强化作用。整体而言, 加入膨胀石墨后石蜡的温度分布更均匀, 有利于相变储能技术的应用。
图5为膨胀石墨/石蜡复合相变材料物理模型中A、B、C点的温度随时间变化的曲线。从图5中可以看出, 膨胀石墨与周围的石蜡温度变化很接近, 说明此复合体系中膨胀石墨在防止石蜡在相变过程中泄露的同时, 热量传递过程中未损耗或储存任何热量, 主要利用其高热导率在膨胀石墨/石蜡复合相变材料中充当强化介质。
4 结论
(1) 加入膨胀石墨后, 石蜡在相变过程中温度分布很均匀, 起到的强化传热效果相当明显。
(2) 在膨胀石墨/石蜡复合材料复合材料热传递过程中, 膨胀石墨未损耗或储存任何热量, 只充当具有高热导的强化介质。
参考文献
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相变存储材料 篇4
关键词：脂肪酸,相变材料,三元体系,固-液相变,动力学
能源的有效利用及开发新能源,特别是开发绿色可再生能源受到各个国家的普遍重视,推动了节能材料的 发展。相变材料 是指随温 度变化而 改变物理 性质并能 提供潜热 的物质。转变物理性质的过程称为相变过程,在此过程会 吸收或释放大量的潜热。利用这一特性,相变材料可以广泛 应用在太阳能、电力的移峰填谷、废热利用、建筑节能、航空航天和电子等领域[1,2,3]。脂肪酸作为储能相变材料具 有相变体 积变化小、潜热高、化学稳定 性好、热稳定性 好、耐燃性、低腐蚀、无毒、廉价易得和可再 生等优异 特性[4,5,6,7,8],引起了广 泛的关注。 在建筑节能方面,由于应用 环境对温 度的要求 范围是18~ 40℃,人体舒适度温度范围20~28℃,综合考虑适用于建筑节能的相变温度在20~28℃,大多数脂肪酸因自身熔点过高而不能直接应用于 建筑节能 领域。但脂肪酸 具有较好 的相混性,将几种脂肪酸进行混熔处理形成二元或多元的共熔体系, 可获得低熔点脂肪酸 低共熔物[9,10,11,12],其具有熔 化温度范 围较宽、性能优越等特点。
针对差热分析DTA曲线,1957年Kissinger[13]提出Kissinger动力学法,后被证明也适用于DSC曲线。其近似关 系式为:
积分得:
式中:β为升温速率(℃/min);Ea为固-液相变过程的活化能(J/mol);Tp为峰温(℃);R为气体常数,8.315J/(K·mol), C为常数。
ln(β/T2p)与(1/Tp)成线性关系,通过直线斜率-Ea/R可求得相变活化能。反应级数n可由峰型指数S求得。峰型指数S定义为DSC曲线拐点处切线到峰顶 的垂线距 离的比值 (见图1)。
而n=1.26S1/2
本研究用差示扫描量热法(DSC)测定了3种三元低共熔脂肪酸的热力学性能,并对其最低共熔混合物的固-液相变动力学进行了初步研究和探索。
1 实验部分
1.1 材料和仪器
正癸酸(CA,98.0%,分析纯),上海阿拉 丁公司;肉豆蔻酸(MA,99.0%,化学纯 ),上海阿拉 丁公司;棕榈酸 (PA, 99.0%,分析纯),天津富晨化学试剂厂;硬脂酸(SA,99.0%, 分析纯),天津富晨化学试剂厂。
真空干燥箱(DZF-6051CS101型),上海飞越实验仪器有限公司;分析天平(FA2014N型),上海菁海仪器有限公司;差示扫描量热仪(Q2000),瑞士梅特勒-托莱多国际股份有限公司。
1.2 三元低共熔脂肪酸的制备及 DSC测试
按一定比例将3种脂肪酸加入密封容器 中,在一定温 度下加热至全部熔融为液体,搅拌并保持一定时间,使体系充分混合后冷却至室温,取样分析。
DSC法测定样品的相变温度和相变潜热,并确定三元低共熔混合物的热性能数据。保护气氛为氮气,升温速率10℃/min。
2 结果与讨论
2.1 一元脂肪酸的热性质
选取CA、MA、PA和SA作为相变 工作物质,采用DSC测试4种一元脂 肪酸的相 变温度和 相变潜热。图2为CA、 MA、PA和SA熔化过程的DSC曲线。
表1为4种一元脂肪酸的热性质参数。
由表1可知,4种一元脂肪酸的熔点随着碳原子数的增加而升高,但SA的熔点和相变潜热均较PA低,考虑可能是纯度影响。
2.2 三元脂肪酸共熔物的热性质
用DSC测试不同质量比的CA-MA-PA、CA-MA-SA、CAPA-SA三元混合物的热性质,详见表2-表5。因一元脂 肪酸具有唯一向下的吸热曲线,故此认为只有三元混合物峰形为 单一峰时形成三元脂肪酸低共熔体系。
表2中,CA-MA-PA的质量比为6∶2∶2和7∶2∶1时,3种脂肪酸形成最低共 熔物,相变温度 分别20.31℃ 和20.71℃, 相变潜热分别122.52J/g和144.89J/g。相变温度相近,根据相变潜热尽可能大的选取标准,选取质量比7∶2∶1。
表3中,CA-MA-SA的质量比为7∶1∶2、7∶2∶1和8∶1∶1时,3种脂肪酸 形成最低 共熔物,相变温度 分别20.36℃、 20.33℃ 和20.21℃,相变潜热 分别113.00、131.16J/g和122.26J/g。相变温度相近,根据潜热 数值大小,选取质量 比7∶2∶1。
表4中,CA-PA-SA的质量比为8∶1∶1时,3种脂肪酸形成最低共熔物,相变温度27.01℃,相变潜热153.01J/g。
CA-MA-PA、CA-MA-SA和CA-PA-SA形成最低共熔物时的相变温度在民用建筑和调温纺织所要求的范围内,且都具有较高的相变潜热。
2.3 固-液相变动力学分析
2.3.1 相变活化能
利用DSC分别对CA-MA-PA、CA-MA-SA、CA-PA-SA低共熔物进行测试,升温速率β=5、10、20、30℃/min,如图3图5所示,结果列于表5。随着升温速率增加,峰形右移,峰温值逐渐增加,发生相变反应的温度范围也随之变宽。
以CA-MA-SA为例,用Kissinger动力学法,ln(β/T2p)与 (1/Tp)曲线关系见图6,根据斜率求出活化能并获得回归方程和相关系数。
由图6获得不同升温速率下的CA-MA-SA回归曲线y= -42501.77x+134.80,相关系数R2=0.98858。由直线斜率 -Ea/R= -42501.77,得到Ea=353.40kJ/mol。相同方法, 得到CA-MA-PA和CA-PA-SA的斜率和截距及相关系数平方,进而求得固-液相变过程活化能Ea,具体见表6。
由表6结果可知,3种三元低共熔脂肪酸的线性拟合相关系数平方R2均大于0.97,说明ln(β/T2p)与(1/Tp)线性关系 显著。
2.3.2 相变反应级数
当升温速率不同时,根据公式(3)求得峰形 指数,继而求得反应级数,具体见表7。
由表7可知,在不同升温速率下,三元脂肪酸低共熔物固液相变反应级数均为1左右。
3 结论
DSC测试结果表明,质量配比不同,三元脂肪酸混合物的相变温度不同。可以通过调整脂肪酸之间的质量比获得满足建筑节能和人体舒适度要求的相变温度,有效拓宽了脂肪酸 类相变材料的应用领域和范围。
复合相变储能材料的研究 篇5
随着微纳加工技术的发展, 航空航天领域中的电子元器件向高功率化、小型化等方向发展。随着飞行器速度不断提升, 电子元器件的温控问题已经成为影响器件可靠工作的关键。资料分析显示:电子元器件的温度每升高2℃可靠性下降10%, 因此航空航天领域中电子元器件可靠地温度控制是飞行器正常运行的重要保障。目前被广泛应用于解决电子元器件散热问题的导热界面材料不能满足航天领域电子元器件的温控需求, 对于此类处于较高温度的密闭环境体系中高密度电子元器件的热保护必须采用一种新型的热控技术, 即相变储热式温控技术。相变材料被提出装配于电子元器件和散热片之间, 通过相变过程的相变潜热吸收电子元器件工作产生的热量, 达到控制电子元器件温升, 保证电子元器件可靠性的目的。同时, 相变材料具有常温下呈固态, 可以制成垫片便于装配, 达到一定温度后融化润湿配合界面, 降低界面热阻, 是替代界面导热材料的新型热控材料。
针对目前复合相变储能材料存在的问题, 研制二元有机/无机纳米复合相变储能材料, 以无机层状化合物为载体基质、二元有机储能材料为工作成分, 利用插层离子交换技术将储能纳米粒子填充到无机片层纳米结构中, 提高单位质量导热性能, 通过溶胶-凝胶法制备出新型二元有机/无机纳米复合相变储能材料。在二元有机相变储能材料研究中, 从增加材料的导热系数和储能密度展开研究, 通过相变储能材料共混机理、复合相变储能材料优化设计, 为固-液相变储能材料的优化设计提供技术支持。最终研制出的二元有机/无机纳米复合相变储能材料兼具高储能密度与高导热性能, 将其应用于建筑节能领域 (如墙体保温材料、砂浆等) 、恒温保温纺织领域 (如冷库出入、井下作业人员等) , 可以有效提高能源的利用率。
1 复合相变储能材料优化设计
在复合相变储能材料的设计阶段, 体系的选取及合适的组分的确定都可以直接根据相图加以确定。
由于一些纯化合物具有较高的相变焓, 是很好的相变储能材料, 但其中大部分纯化合物的熔点高于实际应用要求的相变温度, 并不能直接应用。如果能把这些物质进行混合, 通过调节物质的比例来调节混合物相变温度, 使其相变温度范围落在具体应用领域的舒适度范围内, 并且具有较高的相变焓, 就获得了高品质的相变储能材料, 所以只有将它们进行复合, 才能制备出符合要求的相变储能材料, 即通过互相混合以降低相变材料的相变温度。
将两种纯化合物混合成理想溶液模型, 两组分体系混合能达到最低的熔点, 称为低共熔点。将纯化合物混合而成的溶液冷却, 则获得的低共熔点温度为混合后相变材料的计算相变温度。
通过施罗德 (Schroder) 公式计算可得到两种单体不同混合比例对应的不变温度。低共熔温度时呈三相平衡:
在定温定压时, 为使溶质A溶于溶剂B所形成的溶液和纯溶质A处于平衡, A在两相中的化学位必须相等。即:
公式中:µA* (S) (T, P) 为纯固体溶质A的化学位 (摩尔吉布斯能) 。在平衡时用饱和溶液中溶质A的摩尔分数xA为溶解度。
因为是理想溶液模型, 所以µAl=µA* (l) +RT lnx A, 因此,
对上式两边取全微分,
在一定压力时,
由此得出,
式中, xA为混合物主要成分A的摩尔分数;∆SlHA为纯化合物A的熔化潜热, J·mol-1;Tf为纯化合物A的熔化温度, K T含有化合物A的混合物的熔化温度, R为气体常数, 8.315 J·kmol-1。
材料的熔点受到材料纯度的影响, 纯度过低可能造成材料的熔点与其理论差值相差3℃, 因此选用的原材料首先要用DSC方法测量其相变温度和相变焓, 然后就可以利用测得的值 (Tf, ∆SlHA) 和公式 (4) 来计算二元混合物的低共熔点 (xA, T) 。
通过有机相变材料混合制成的二元复合相变材料, 属于新的混合有机相变材料, 其相变特性与原材料相比会发生很大改变, 相变温度区间一般相对较大。借鉴无机相变材料减小过冷度的方法, 在二元复合相变材料中添加形核剂, 加速相态转化, 可以减小材料相变温度区间。
2 复合相变储能材料制备研究
利用溶胶-凝胶法制备复合相变储能材料, 金属醇盐中加入纳米粒子经水解和缩聚反应形成溶胶, 通过搅拌使其混合均匀。在凝胶形成过程中, 相变储能材料与溶剂一起被裹入一定结构和尺寸的孔或“笼”维网络结构, 而相变储能材料则被均匀地分散、嵌入在二氧化硅的三维网络中, 使其很难再溢出;从而将有机相变材料和无机物的结构、物理和化学特性充分的结合起来。
此外, 凝胶孔大量地以闭合孔的形式存在, 在化学惰性的密闭孔中密封了大量的相变储能材料, 形成了所谓“笼效应”, 使得相变储能材料被包覆在“笼”中, 在宏观上始终呈现固体状态。
溶胶-凝胶法的主要原理是将酯类化合物或者金属醇盐溶于有机溶剂中, 形成均匀的溶液, 然后加入其他组分, 在一定温度下反应形成凝胶, 最后经干燥处理制成产品。基本反应为水解反应和聚合反应。
(1) 水解反应:对金属醇盐M (OZ) n而言 (其中n为M的原子价) , 金属醇盐的水解反应式如下:
(2) 缩聚反应:金属醇盐的缩聚反应与水解反应同时发生, 分为失水缩聚和失缩聚:
(3) 总反应:
式中, M为金属;Z为有机基团, 制备的溶胶中含有大量的水和醇, 经干燥、焙烘除去溶剂可得到具有网络结构的凝胶。
2.1 溶胶制备研究
溶剂:制取含金属醇盐和水的均相溶液是溶胶凝胶制备的关键, 以保证醇盐的水解反应在分子的水平上进行。
金属醇盐:过渡金属醇盐一般都具有配位数增高的趋向。带有部分正电荷的金属原子, 通过其空间轨道接受亲核配体提供的电子, 使配位数增高, 这通常要借助于溶剂化齐聚作用。
水的加入量:水的加入量习惯上以水与醇盐的物质的量比计量, 用R'表示。由于水本身是一种反应物, 水的加入量对溶胶的制备及其以后的工艺过程都有重要影响。研究表明水的加入量对溶胶的粘度, 溶胶向凝胶的转变以及胶凝化作用的时间均有影响。要获得清澈透明的凝胶必须在 的条件下。
水解温度:提高水解温度对醇盐水解速率是有利的, 特别是对水解活性低的醇盐 (如硅醇盐) 。为了缩短水解时间, 常常需要在加温条件下操作, 此时制备溶胶的时间和胶凝时间会明显缩短。
催化剂:催化剂可以是酸、碱或者它们的混合物, 在催化剂的作用下, 水金和属醇盐发生水解反应, 水解反应以及胶凝时间受到催化剂的种类的显著影响。
2.2 催化剂在溶胶-凝胶中的作用机理研究
溶胶-凝胶反应过程以及生成凝胶的结构及粒度受到催化剂的显著影响。在溶胶-凝胶法制各复合材料过程中, 胶体特性受催化剂种类的影响极大, 从而最终对复合材料的结构与性能起到只关注重要的影响作用。
加入溶液中的酸或碱起到调节溶液的酸碱度作用的同时具有催化作用。本文拟用氨水来调节溶胶的p H值。在氨水催化条件下, 氢氧根离子的作用使硅原子带负电性并导致其电子云向另一侧的-OZ基团偏移, 使该基团Si-OZ键减弱并最终断裂。水解机理如下:
水解过程由于位阻效应的影响, 通过不断聚合作用、水解作用形成一线性硅氧链, 随着硅氧链的伸展、交联, 最后形成了线性交联的三维无规网络结构。
3 复合相变储能材料的应用
我国大量的钢铁、机械制造等企业每年对于煤、电、天然气等需求非常严重, 尤其是电力负荷的需求, 日趋严重。采用复合相变储能材料, 可以用于工业余热回收、电力的峰调等, 有效解决我国日益严重的能源缺乏问题。
以普通的热水储热器与相变储能器为例, 同样的5 L供热水量, 同样的输出功率:200 k W, 同样的输入功率:19 6 k W。每天消耗的电费差别相当大, 相变储能器为379元/天, 热水储热器为1288元/天, 变储能器可节省电费:1288-379=909元, 单以次计算, 每年可节约电费33万余元, 节电效果非常明显。
节能环保、可持续发展是我国目前工业建设的发展趋势。相变储能材料能够有效地节约能源, 缓解能源问题, 提升能源利用效率, 提高热转换效率。尽管人们对相变储能技术的研究虽然只有几十年的历史, 但它的市场前景十分广泛己日益受到人们重视。
参考文献
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相变储能材料的制备与研究 篇6
1 实验部分
1.1 原料
癸酸(简称CA):化学纯(国药集团化学试剂有限公司,熔点28.9～30.5℃);月桂酸(简称LA):化学纯(上海山浦化工有限公司,熔点41～45℃);豆蔻酸(简称MA):化学纯(上海化学试剂站,熔点52.5～54.5℃);棕榈酸(简称PA):化学纯( 国药集团化学试剂有限公司,熔点59.5～63.5℃)。
1.2 仪器
AE240型电子天平(瑞士METTLER公司生产,称量精度为0.01mg)。Q1000DSC差示扫描量热仪(美国TA公司,温度范围:-180～725℃,灵敏度:0.2μW,温度准确度:±0.1℃;温度精度:±0.05℃)。电热水浴恒温箱(上海华生电器有限公司生产,温度范围为室温～100℃);分析天平(上海衡器厂生产,称量精度为1mg)。
1.3 制备过程
按一定的比例,准确计算、称量两种脂肪酸,将其混合于密封容器中,在一定的温度下加热至全部熔融为液体,搅拌并保持一定时间,使体系充分混合,再冷却至室温,研磨得到的固体,取样送检。
1.4 热性能测试
用DSC热分析技术测试不同质量比的CA-LA、CA-MA、CA-PA二元体系的相变温度和相变焓[4,5],测试条件:测试气氛为N2,升温速率5℃/min。
2 结果与讨论
2.1 二元体系低共熔原理
根据物理化学理论可知,在溶剂B与溶剂A不生成固态溶液的条件下,当溶剂A中有少量溶剂B后,则从溶液中析出固态纯溶剂的温度,就会低于纯溶剂在同样外压下的凝固点,这就是凝固点下降原理[6]。如图1所示,3条曲线为一定外压下凝聚相中溶剂A的蒸汽压曲线。液态纯溶剂的蒸汽压曲线与固态纯溶剂的蒸汽压曲线相交于O点,该点所对应的温度t*f,即为溶剂的凝固点。根据拉乌尔定律,溶液中溶剂的蒸汽压曲线 位于液态纯溶剂的蒸汽压曲线下方,它与固 态纯溶剂的蒸汽压曲线相交于a点,a点所对应的温度tf是在该外压下溶液的凝固点,且有tf < t*f。t*f-tf被称溶液凝固点的降低值。
将几种脂肪酸分别互相混合,将其看成理想溶液模型,混合物的熔化温度总是比纯化合物的熔化温度低。两组分体系混合能达到最低的熔点,称为低共熔点。形成的化合物称为低共熔混合物。若将低共熔混合物冷却,则在低共熔混合物熔点全部凝固。两种物质按照不同比例混合,低共熔混合物的性能最稳定,低共熔点即为低共熔混合物的相变温度[7]。
按理想溶液计算的脂肪酸二元低共熔物的相变温度见表1所示。
从表1数据可知,脂肪酸二元低共熔物的熔点低于相应的纯脂肪酸的熔点,二元低共熔物的熔点都是在建筑围护结构所要求的温度范围内。但由于在实验中所选用的脂肪酸二元体系是非理想溶液,故以理论计算值为依据,由试验测试数据来确定二元低共熔混合物的组成及其热性能。
图2—图4分别为3种二元体系的DSC曲线。
2.2 热性能分析
我国民用建筑舒适性空调设计参数规定,夏季的居室温度为26～27℃,冬季为20～22℃。由于常用的长链脂肪酸的相变温度都较高于这一温度范围,但脂肪酸具有良好的混溶性,并且混溶后其混合物的相变温度均低于纯酸。因此,若将两个相变温度较高的脂肪酸混合后,则有可能使其混合物的相变温度处于20～27℃之间,而能应用于民用建筑中。
热性能数据如表2—表4,由表可以看出,混合物的相变温度均低于纯酸;当CA∶LA;CA∶ MA;CA∶PA的质量比分别为53.45∶46.55;60.2∶39.8;61.6∶38.4时,两酸同时发生相变,此时的DSC曲线和纯酸相似,只出现一个狭窄的吸热峰(如图2、3、4所示),表明此混合物是两酸的低共熔混合物,它们的相变焓和相变温度分别为CA-LA:120.7J/g,20.82℃;CA-MA:120.3J/g,19.15℃;CA-PA:142.9J/g,22.05℃。从图2到图4的DSC曲线可以看出:除过癸酸-月桂酸混合二元酸外,其余两种二元酸混合物吸热峰的峰形比较光滑,但是峰的对称性不是很好,这种现象的出现是由于混合二元酸发生相态变化,则混合物的比热也随着变化,从而引起基线的变动。从图2可以看出:癸酸-月桂酸混合二元酸的DSC曲线并不圆滑,有一处转折,这种结果很有可能是由于二元酸混合不均匀,以至于影响了相容性而造成的。
总之,从实验检测结果可知,这些二元酸低共熔混合物的相变温度适合用于民用建筑对相变材料温度的要求,并且具有较高的相变潜热,可以用作室温相变材料,用来增加房屋的热惰性,降低房屋的温度波动,从而降低空调负荷,达到建筑节能的目的。
2.3 电镜分析
为了能在夹心复合墙体中作为保温材料用[8],本方法将上述相变材料与建筑用膨胀珍珠岩进行了复合,通过电镜对珍珠岩吸附相变材料的微观变化进行测试[9],见图5所示。
未吸附相变材料的膨胀珍珠岩呈现出半球型明显的圆弧裂开,电镜表示吸附后由于表面热力学性质改变产生的变形其使呈鳞片状,表面为多孔结构,孔型为鳞片状,大部分孔径为几μm到几百μm之间。从SEM照片可以看出,膨胀珍珠岩吸附有机羧酸后,孔结构依然保持了鳞片状,且有机羧酸均匀吸附在多孔基体中。
3 结论
(1)以几种常用的脂肪酸为相变材料,采用水浴加热混合法可制备出性能较好的复合相变储能材料,拓宽了有机类相变材料的使用范围。
(2)二元体系存在着最佳混合比例,当达到这个比例时,二元体系会出现一个最低共熔点。
(3)通过DSC和SEM测试后可知,按照溶液模型计算得到的3种二元共熔体系具有较好的相变温度和相变焓,且与膨胀珍珠岩可制备成相变保温材料,为在夹心墙体中的应用提供了可能。
摘要：选择了几种脂肪酸,依据二元低共熔原理,制备出适合建筑材料使用的二元有机相变储能材料。通过DSC分析了复合储能材料的相变温度、相变焓等热性能,结果表明:当CA∶LA;CA∶MA;CA∶PA的质量比分别为53.45∶46.55∶60.2∶39.8∶61.6∶38.4时,其相变焓和相变温度分别为CA-LA:120.7J/g;20.82℃,CA-MA:120.3J/g;19.15℃,CA-PA:142.9J/g;22.05℃,适合于民用建筑对相变材料的要求。通过SEM分析检测了珍珠岩吸附相变材料后的表面微观变化,结果表明:有机羧酸均匀吸附在多孔基体中,此种材料可以应用于夹心节能建筑围护结构中。
关键词：二元共熔体,相变储能材料,潜热性能
参考文献
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石蜡相变材料的研究进展 篇7
1 石蜡PCM的封装
石蜡是固液相变材料, 其封装方式决定其在不同范围的应用方式。制备的方法分为直接掺入法、浸泡吸附法、容器封装法、插层法和熔融共混法等。侯景鹏等[1]直接掺入石蜡制备相变控温混凝土, 可降低大体积混凝土内部升温速率和降温速率。闫全英等[2]发现石蜡掺量仅小于5% (质量分数) 时, 相变墙无石蜡渗透析出。浸泡吸附法吸入石蜡过程方法简单但耗时较长, 石蜡分布不均匀且易渗出, 进而调温效果下降且易出现腐蚀墙体等问题。郑立辉等[3]通过硬脂酸钠改善相变石膏板的渗漏问题, 石膏的容留量从16.0%仅提高到23.1%。可见, 直接掺入法和浸泡吸附法均易出现分离和渗漏, 导致调温效果差。
容器封装法又分为宏观分装和微观分装。李延伟等[4]通过将石蜡类材料安置在铝合金中, 制备高空光学遥感器CCD组件。张芳等[5]将石蜡安置在杜拉铝中, 制成了1种相变温控装置, 实现对电子器件的过热保护。微观分装又分为微胶囊封装和微观交联封装, 微胶囊又分为小胶囊 (微米量级以下) 和大胶囊 (毫米量级以下) 。插层法是指把有层状结构的硅酸盐物质作为载体, 将石蜡潜入载体层间, 制备出没有腐蚀性的PCM。熔融共混法是将载体和石蜡混合均匀然后熔融成为一体, 三维网状结构载体将石蜡牢牢包覆在里面。插层法和熔融共混法相互结合制备多孔复合PCM、纳米复合PCM、以及定形PCM材料等。有研究[6,7]发现微胶囊PCM、多孔复合PCM、纳米复合PCM和定形PCM等可改善石蜡在液态时分离渗漏和提高石蜡的导热系数。
2 石蜡相变储能材料的制备
为解决石蜡在液态发生分离渗漏和低导热系数, 可将石蜡相变材料制备成微胶囊化PCM、纳米复合PCM、多孔石蜡PCM以及定形PCM等。
2.1 微胶囊的制备
石蜡微胶囊在微球内进行固液相变, 液态石蜡不会渗漏, 且存在韧性囊壁, 可适应石蜡由液态变为固态产生的体积收缩。微胶囊材料可与传统建筑材料直接复合, 其工艺简单、化学性能稳定、高储热量和热导率, 但较成熟的微胶囊材料存在合成方法少, 工艺复杂、成本高等缺点。微胶囊最主要制备方法是原位聚合法和界面聚合法以及单/复凝聚法、喷雾干燥法等。
采用原位聚合法制备微胶囊的研究较多, 通常使用的石蜡微胶囊的壳层包括三聚氰胺甲醛树脂、脲醛树脂、聚氨酯、聚丙烯和酚醛树脂等。鄢瑛等[8]采用RT31石蜡为芯材、脲醛树脂为壁材, 利用原位聚合法制备粒径均一、表面光滑、密封良好相变材料微胶囊。Jin等[9]以石蜡为芯材、脲醛树脂为壁材, 采用原位聚合法制备微胶囊。该制备方法局限性为:在胶囊成型的过程中并不是把反应性单体分别加到芯材液滴和悬浮介质中, 而是将单体成分和催化剂全部位于芯材液滴的内部或者外部, 使微胶囊壳的利用率降低。
界面聚合法具有反应速度快、反应条件温和、对反应单体纯度要求不高、原料配比要求不严、形成的壁膜可透性较高和成本低。童晓梅等[10]将石墨和SiO2改性壁材, 采用界面聚合法制备PCM, 具有良好的热稳定性、耐酸碱性强、耐久性好和调温效果明显, 可用于建筑领域。尚建丽等[11]以相变石蜡为芯材, 廉价的聚脲和聚氨酯为壁材采用界面聚合法制备了双层壁材微胶囊PCM, 具有反应充分、产率较高, 适合于建筑用PCM (相变温度为19.02℃) 。Cho等[12]利用界面聚合法合成微胶囊PCM, 相变温度为28~30℃。该制备方法局限为对微胶囊PCM的囊芯保护作用较差和囊壁较薄, 微胶囊相变材料在进行反复使用后会产生流淌现象。
2.1.1 微胶囊PCM建筑领域应用
微胶囊PCM是利用聚合物作壁材, 相变物质为芯材, 通过一定物理化学方法制备而成的微小颗粒, 具有储热温度高、热效率高以及放热过程恒温等优点, 在纺织、军事等领域已经得到了应用。德国BASF公司将石蜡封装于微胶囊内, 研制出石蜡相变微胶囊的为砂浆, 每2cm厚的砂浆的蓄热能力相当于20cm厚的砖木结构。西班牙Cabeza Luisa F等采用含5% (wt, 质量分数) 相变微胶囊的混凝土板作试验房, 墙体的热惯性增加, 室内最高温度降低。王永生等[13]在脱硫石膏中掺入20%湿相变微胶囊, 复配0.6%改性淀粉, 制备相变石膏板, 夏季室内舒适温度为26℃, 冬季室内舒适温度为21℃。晏华等[14]以低熔点石蜡微胶囊为PCM, 制备具有良好的蓄热、调温功能和较长的热循环寿命保温砂浆。
2.1.2 微胶囊PCM军事领域应用
孙浩等[15]以石蜡相变材料作为芯材, 采用复凝聚法以及原位聚合法制备出了石蜡微胶囊PCM, 具有一定的热红外遮蔽功能和示假功能。杨爱弟等[16]选用石蜡、脂肪酸类作为PCM, 制备出应用于相变微胶囊涂层, 具有优良的温度自适应功能, 在短时间内实现对热源的伪装效果及与背景的融合性。黄琮喜等[17]探讨了以脲、甲醛和三聚氰胺包覆普通石蜡, 制备出具有红外隐身功能的石蜡微胶囊。
2.1.3 微胶囊PCM纺织领域应用
PCM及其微胶囊的制备是调温织物的核心技术。颜超等[18]以聚氨酯为壁材, 相变石蜡为芯材, 合成了聚氨酯型相变微胶囊, 并且将其应用于增强蚕丝织物的调温功能。魏菊等[19]以甲苯2, 4-二异氰酸酯和哌嗪为反应单体、30号相变石蜡为芯材, 采用界面聚合法制得了1种智能纺织品用蓄热调温相变微胶囊。
2.2 纳米复合PCM制备
近年来, 将纳米级或金属氧化物粒子按一定的方式和比例添加到基液中, 制备纳米复合PCM, 可应用于热能工程领域的创新性研究。有机PCM具有溶解大、一般无过冷现象和相分离, 腐蚀性较小, 固体成型好和性能稳定等优点, 但导热系数低。通常掺入金属填料、石墨和碳纤维等高导热系数的粉体, 提高PCM的导热系数。Elgafy[20]将4%纳米碳纤维掺入到石蜡中, 热导率提高了40%以上。张泓声等将纳米铜粉掺入到石蜡中, 其掺量在2%时, 相变潜热较纯石蜡低11%。
2.2.1 纳米复合PCM微电机应用
在微机电系统发展过程中, 石蜡导热系数低 (0.21~0.24W·m-1·K-1) , 难以对环境做出快速响应, 使用硅片微切削技术制备蜡微驱动器, 其工作所需驱动时间长达1min。为提高石蜡微驱动器的热响应能力, Sant等[21]将石墨加入到石蜡中, 明显提高驱动器效率和减少驱动时间。Wu等[22]将纳米铜添加到石蜡中, 制备纳米流体PCM, 提高PCM的加热冷却速率。Jegadheeswaran等[23]数值模拟了纳米铜/石蜡PCM的热行为, 纳米铜体积分数为0.1%时, PCM放热时间大约减少了28%和热效率提高12%~15%。
2.2.2 纳米复合PCM电池应用
近年来国外采用PCM冷却电池热管理系统展现出良好前景。石蜡由于具有相变温度接近电池最佳工作温度、具有较高的单位质量相变潜热和成本低廉等特点, 是理想的电池冷却用PCM, 但是其不足之处是具有很低的热导率。周国庆等[24]利用石墨改性PCM, PCM填充的电池经过充放电循环后, 电池性能没有显著劣化。
2.3 多孔石蜡PCM的制备
固-液PCM在相变过程中容易产生液相流动和渗漏等问题, 无机多孔材料 (凹凸棒土、蛋白土、膨胀石墨、膨润土和珍珠岩等) 利用真空吸附、渗流法、熔融插层法和共混等方法吸附有机PCM, 控制和固定PCM在一定的空间范围内进行相变, 制备稳定相变温度和相变焓的多孔石蜡PCM。
李东旭等[25]将石蜡熔入多孔基质内部空隙中或层间结构制备石膏基石蜡相变储能墙板, 具有价格低廉, 能控制建筑物室内温度波动, 降低建筑能耗等优点。成时亮等[26]制备以脱硫石膏胶凝材料的复合保温砂浆, 采用石蜡微晶颗粒进行改性, 使产品满足良好的蓄热调温能力和防水能力。尹辉斌等[27]和高学农等[28]利用膨胀石墨吸附石蜡为PCM, 制备出高导热系数的快速热响应复合PCM, 应用于电子器件散热装置。
2.4 定形PCM的制备
定形PCM是以高分子材料为基体, 石蜡分散在其中形成PCM。将石蜡和高分子聚合物 (聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物和乙丙橡胶等) 进行熔融共混, 石蜡均匀地分散在已固化的高分子聚合物中。聚乙烯是常用的基体包覆材料, 一般通过交联和接枝等方法改善石蜡渗漏。陈云深等[29]认为高密度聚乙烯/低密度聚乙烯共混物作为石蜡的支撑体系比高密度聚乙烯更易交联, 可明显增强PCM的稳定性。孙翠玲等[30]用石蜡接枝丙烯酸发生共聚反应, 制备红外隐身用相变材料。通过掺入石墨、金属粉等提高石蜡复合交联树脂PCM导热性能。Sari[31]以高密度聚乙烯为支撑材料, 选择2种石蜡为相变材料, 石墨掺量为3%时, 其导热系数分别提高14%和24%。李玉蓉等[32]采用石墨改性高密度聚乙烯、热塑性弹性体和石蜡的PCM。
定形PCM使用时无需容器, 可直接与传热介质或加热器接触, 由此可减小热阻, 降低热损。在地板辐射采暖系统中, 可提高热舒适度、充分利用夜间的低谷电价替用户节省采暖费用, 同时有助于电力系统调节电力峰谷差[33]。杨月红等[34]将石蜡/高密度聚乙烯掺入磷石膏胶凝材料的保温板中, 具有优良的热稳定性, 其防水性能较好。
3 结论与展望