摘 要

本文研究了多孔氧化铝/膨胀石墨/十八醇储热材料的热物性，采用煅烧法制备出了具有分级孔隙的Al₂O₃/EG复合材料。以OD为基体材料，分别在Al₂O₃、EG和Al₂O₃/EG中真空吸附十八醇（OD），获得一系列复合相变材料。通过SEM、EDS、XRD、DSC、FTIR、热常数分析和比表面积和孔径分析等测试方法对材料进行了结构表征与性能测试，获得了各种热分析参数，结果表明，所制备的复合相变材料的热性能得到了显著提升。所得结果对于多孔陶瓷泡沫改性相变材料在太阳能存储领域的应用具有重要的指导意义。

研究结果：SEM和EDS结果表明，Al₂O₃在EG的表面上分布均匀，未出现团聚。OD、Al₂O₃和EG结合形成了稳定结构，无相分离，可有效解决固-液相变过程中的泄露问题。Al₂O₃/EG复合材料的比表面积是EG的2.3倍，具有较高比表面积和较大孔隙率，能够显著增强相变材料的导热与传热性能。XRD 和 FTIR 结果显示OD、Al₂O₃和EG之间是物理相互作用。Al2O3/EG复合材料在复合相变材料内部形成了传热通道和传热网络，大大提高了材料的热性能。此外，通过DSC和热常数分析表明，当OD中加入10wt%的Al₂O₃/EG进行改性时，相比于纯OD，复合相变材料的导热率增加4.5倍，热扩散率增加4.6倍，同时具有较高的相变焓，约为200kJ/kg。

本文的特色：本研究旨在为制备具有较高导热系数、较大储能密度的复合相变材料提供研究方法，提升研究效率，拓宽相变储热材料的应用领域。

关键词：复合相变材料；多孔氧化铝；膨胀石墨；十八醇；热性能

Abstract

In this paper, the thermal properties of porous alumina/expanded graphite/1-octadecanol heat storage materials were studied. Al₂O₃/EG composites with graded pores were prepared by calcination method. A series of composite phase change materials were obtained by vacuum adsorption of 1-octadecanol (OD), in Al₂O₃, EG and Al₂O₃/EG with OD as the matrix material. The materials were characterized by SEM, EDS, XRD, DSC, FTIR, thermal constant analysis and specific surface area and pore size analysis. Various thermal analysis parameters were obtained. The results show that the composite phase transitions were prepared. The thermal properties of the material have been significantly improved. The obtained results have important guiding significance for the application of porous ceramic foam modified phase change materials in the field of solar energy storage.

The SEM and EDS results show that Al₂O₃ is evenly distributed on the surface of EG without agglomeration. The combination of OD, Al₂O₃ and EG forms a stable structure without phase separation, which can effectively solve the leakage problem in the solid-liquid phase transition process. The Al₂O₃/EG composite has a specific surface area of ​​2.3 times that of EG, and has a high specific surface area and a large porosity, which can significantly enhance the heat conduction and heat transfer performance of the phase change material. XRD and FTIR results show a physical interaction between OD, Al₂O₃ and EG. The Al₂O₃/EG composite material forms a heat transfer channel and a heat transfer network inside the composite phase change material, which greatly improves the thermal properties of the material. In addition, DSC and thermal constant analysis showed that when 10% by weight of Al₂O₃/EG was added to the OD for modification, the thermal conductivity of the composite phase change material increased by 4.5 times and the thermal diffusivity increased by 4.6 times compared with pure OD. It has a high phase transition enthalpy of about 200kJ/kg.

The characteristics of this paper: This study aims to provide a research method for the preparation of composite phase change materials with high thermal conductivity and large energy storage density, improve research efficiency, and broaden the application fields of phase change heat storage materials.

Key Words：composite phase change material；porous alumina；expanded graphite；1-octadecanol；thermal properties

目录

摘 要 I

Abstract II

目录 III

第1章 绪论 1

1.1 前言 1

1.2 储热材料 1

1.2.1 储热材料分类 1

1.2.1.1固-液型PCM 2

1.2.1.2固-固型PCM 3

1.2.2 相变储热材料的选择 3

1.3 储热技术 3

1.3.1 储热技术的分类 3

1.3.2 储热技术的选择 5

1.4 提高热导率的方法 5

1.5 国内外研究现状 5

1.5.1 国内研究现状 5

1.5.2 国外研究现状 6

1.6 研究意义与主要内容 7

1.6.1 研究意义 7

1.6.2 主要内容 7

第2章 实验部分 9

2.1 实验材料 9

2.2 实验设备 9

2.3 实验过程 9

2.3.1 Al₂O₃/EG的制备 9

2.3.2 OD/Al₂O₃/EG复合相变材料的制备 10

2.4 性能测试与表征 11

2.5 本章小结 11

第3章 材料的表征与性能研究 13

3.1 引言 13

3.2 微观结构与元素分布 13

3.2.1 微观结构 13

3.2.2 元素分布 14

3.3 物相与结构分析 16

3.3.1 物相分析 16

3.3.2 结构分析 16

3.4 比表面积和介孔分析 17

3.5 DSC分析 18

3.5 导热系数 20

第4章 结论与展望 22

4.1 结论 22

4.2 展望 22

致 谢 24

参考文献 25

附录1 27

附录2 28

第1章 绪论

1.1 前言

如今，能源是全世界重点关注的问题，全球的生命活动都与能源息息相关，在时代发展的过程中，人类对能源有着大量的需求，但随着时间的流逝，人类对能源的消耗也愈发严重。能源逐渐短缺、生态环境也遭到破坏，这些问题阻碍了人类的发展，制约了社会前进的脚步。

要解决能源供需平衡问题，提高能源效率，必须从源头和利用环节不断研究和开发相变储能材料及相关技术。相变储热材料具有较高的储热密度，适宜的工作温度，性能较为稳定，这一系列优良特性，是储能开发领域的研究热点。使用储热材料（PCMs）作为显热（SH）、化学反应热（CRH）和潜热（LH）的储能材料已经成为能源开发的重要方面，显热储能开发较早且过程相对简单，是最为广泛使用的蓄热方法。化学反应热储热原理是将化学能转化为热能，以达到蓄热目的，具有高能量和高密度的储热特性。潜热储热，又称为相变储热，它的蓄热方法是通过材料发生相变时吸收/释放热量来进行能量的储存与利用，其储热密度较高且温度恒定^[1]，不但可以平衡能源利用过程中能源供应与能源消耗的关系，还可以解决能源供需过程的一系列矛盾，对现有资源进行合理分配和应用，能够在一定程度上提高能源利用率，起到保护生态环境的作用。

相变材料热稳定性高，潜热容量大，相转变温度适宜且成本低廉，在太阳能应用、空调传热系统、恒温建筑等领域发挥了不可替代的作用。目前，研究表明，向相变材料中添加导热率高的添加剂，可以有效提高相变材料的导热能力，膨胀石墨、纳米颗粒和金属泡沫是常见的添加剂^[2]。其中，膨胀石墨比表面积大、孔隙率大且堆积密度小，导热性能较好；纳米颗粒在增强导热性能方面起到了一定作用，但由于纳米颗粒在相变材料中容易产生团聚，难以均匀分散，甚至出现与相变材料不相容的情况，对相变材料的导热性能影响较大；金属泡沫性能稳定，密度较低，性能也较为稳定，在增强相变材料导热率方面起到了一定的效果。而近年来，陶瓷泡沫以其重量轻、耐腐蚀、吸附性强和具有三维联通通道的特点成为热门研究材料，但在相变材料改性领域，关于陶瓷泡沫应用的研究较少，本文针对这类应用进行研究，具有重要的实践和理论意义。

1.2 储热材料

1.2.1 储热材料分类

储热材料有多种分类方式，可根据相转变方式、化学成分或者温度区间对其进行分类。按照相转变方式进行分类时，可将其分为四种不同相变方式的相变材料，其中，固-液型PCM和固-固型PCM又可被分为低分子化合物与聚合物，包括有机物、无机物、多元醇等，详细分类如图1.1：

图1.1 相变储热材料分类示意图

1.2.1.1固-液型PCM

多种不同类型的固、液相变材料复合后具有较好的储能能力，根据不同的化学成分可将其分为无机类PCM与有机类PCM。

1. 无机类PCM

无机类PCM通常具有结晶水合盐、合金、氢氧化物水合物和其他无机化合物^[3]。结晶水合盐是一种含有结晶水的盐水化合物，在相变过程中通过盐的脱水形成，水分子含量较少。它具有较高的储热密度，成本十分低廉且易大量获得，在工业能源循环利用、太阳能储能、食品和轻纺业等方面应用较广。合金在高温相变储热材料领域投入使用，因为它们具有适中的相变温度、较高的相变潜热密度和良好的热稳定性能，是这一领域的研究热点^[4]。

1. 有机类PCM

有机类PCM由多种材料构成，包括石蜡、脂肪酸及其低共熔混合物、酯和其他有机化合物。石蜡通式为C_nH_{2n 2}，相变温度大致在20℃-60℃，相变焓在140KJ/Kg-280KJ/Kg。它的相变类型属于固-液相变，是一种多功能材料，温度范围较窄但潜热储存能力较高，能够溶于非极性溶剂，无毒无害。脂肪酸具有良好的低温热力学和动力学特性，与石蜡相比，它具有更高的熔化潜热，在较窄温度范围内，它以固态变化，其混合物可以形成几乎没有过冷现象的共晶。脂肪酸的相变温度接近室温，具有较高的转变焓，储能能力较强。

1.2.1.2固-固型PCM

固-固型PCM相变温度通常在0-120℃范围内,主要用于低温和中温领域，其优点是材料稳定性好、相变时体积变化小、无泄露、耐久性强，多种醇类、有机聚合物和无机盐是常见的此类材料。

1. 多元醇类

常见的这类材料有季戊四醇、新戊二醇和三甲醇丙烷等，它们通过改变晶格类型吸/放热，相变温度不唯一且范围较宽，具有很好的热稳定性能。

1. 有机高分子类

　这类材料通常包括聚乙醇聚乙烯等，它们化学性质十分稳定，无过冷现象，在较低温度下就能发生相转变，几乎不发生相分离，是较为优异的储热材料，目前应用范围较广^[3]。

1. 无机盐类

　这类材料是通过改变具有多种晶型物质的层状结晶结构来储存与释放热量，有层状钙钛矿和硫氰化胺等，其循环性能好，相变潜热高、过冷度小。

1.2.2 相变储热材料的选择

相变储热材料主要有四个选择标准：热力学标准、动力学标准、化学标准和经济标准。这类材料需要具备优异的导热能力，较好的稳定性，以确保其在数次的熔化和凝固过程中性质不发生变化，能够被反复使用。

由于本文是对于陶瓷泡沫材料的相关研究，在选定研究材料时，首先考虑满足相变温度要求和相变热较高的材料，再综合考虑研究中可能产生的影响及应用方向等因素。最终选取多孔氧化铝、膨胀石墨、十八醇三种材料进行研究，其相变类型为固-液型相变材料。

1.3 储热技术

1.3.1 储热技术的分类

储热技术一般按照储存方式进行分类，分为显热储热、潜热储热和化学反应热储热这三种类型^[5]，如图1.2：

图1.2 储热技术分类示意图

1. 显热储热

显热储热是通过常规的辐射、传导和对流换热机制来储存热量。因其成本较低，储热放热过程简单，且技术相对成熟，目前应用较为广泛。其储热原理是基于材料在充放电过程中的热容与温度的变化，其热量变化可由下式表示：

其中，Q为储存热量（J）；T_i为初始温度（℃）；T_f为最终温度（℃）；m为储热介质质量（Kg）；C_p为比热容（J/Kg·K）；C_ap为温度区间T_i到T_f之间的平均比热容（J/Kg·K）。

（2）潜热储热

潜热储热是通过材料从固体到固体、从固体到液体或从液体到气体的相变过程中吸收或释放热量，因其具有较高储能密度，使用方便，且温度范围比较确定，是当前最为广泛使用的储热方式^[6]。其热量变化可由下式表示：

其中，α_m为部分融化热（J/Kg）；ΔH_m为熔化潜热（J/Kg）。

（３）热化学储热

热化学储热是通过材料的可逆化学过程进行化学能与热能的相互转换，其能量高且密度大，能够实现热量的长期储存^[7]。

1.3.2 储热技术的选择

潜热储热的基本原理是利用物质在相变过程中的相变潜热进行蓄热，按照相变温度来区分，可分为低温、中温和高温三个部分。这类材料主要应用于建筑恒温系统、太阳能储存、工业热回收、发电机和航天领域等。

本文采用的储热技术为潜热储热，研究方向属于低温潜热蓄热领域。

1.4 提高热导率的方法

将导热系数高的材料与相变材料复合是常见的提高导热率的方法，这类材料有多孔泡沫金属、碳纳米材料、多孔石墨等^[8]。

（1）多孔泡沫金属：多孔泡沫金属具有较大的比表面积、较高的孔隙率、较小的密度和较高的导热系数，将其与相变材料复合，能够使储热材料的温度分布更加均匀，大大缩短储/放热时间，加快传热速度，可以有效改善储热材料熔化后的泄露问题。但同时，多孔泡沫金属价格较高，密度大，与部分相变材料无法相容，在实际应用中限制较大。

（2）碳纳米材料：纳米碳材料具有众多优良特性，如比表面积大、密度小、导电导热能力强、与相变材料相容性好、化学性质稳定等，近年来，这类材料是相变储热领域的研究热点^[9]。但由于碳纳米材料的制备工艺、结构尺寸、在相变材料中团聚形态的不同，导致研究结果差异性较大，还需要进行一定的研究解决其实际应用中的问题。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：