1. 研究目的与意义（文献综述）

1．研究背景

能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础，是当代各国的重要战略资源。目前全球消耗的能源是大部分煤炭、石油、天然气这三种传统的不可再生能源。据权威的《bp世界能源统计年鉴》提供的数据显示，2016年世界探明石油储量约2707亿吨，按照2016年产量水平计算，可满足世界57年的需求。截至2016底，世界天然气探明储量为186.6×10¹²m³，该储备足以保证52.5年的供应需要。2016年，世界煤炭探明储量为1. 14×10¹²吨，足够满足153年的需求，大约是石油和天然气储量比的三倍。但是随着储量的减少，开采难度就会加大，开采价值就会随之下降，不可再生能源的开采年限还将大大减少^[1]。

在面对传统能源逐渐枯竭的同时，传统三大能源的高能耗、高污染也是必须考虑的问题。传统能源燃烧后会产生大量的二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物、碳氢化物、颗粒物以及二氧化碳等大气污染物，造成了巨大的大气污染，严重危害人类的生存。因此开发和寻找新型能源，尤其是可再生能源，已经成为现如今一大趋势，也是当今的一个研究热点内容。

2. 研究的基本内容与方案

3．研究内容和技术路线

虽然混凝土作为储热材料具有许多优异性能，如：成本低廉、机械性能良好、可承受多次载荷的热循环等。但是要在低温条件下储存或者释放热量，混凝土必须通过一些技术来改善其相关性能，如：导热系数、抗高温性、蓄热量等等。对于储热材料来说，导热系数是一个关键性的性能指标，因为较高的导热系数能够迅速而有效的吸收和释放能量，较高的导热系数可以大大提高储热材料的工作效率。混凝土的热导率作为一种物理性质，与其组成材料和结构有关。比如：混凝土用的集料热导率高则其导热率就高、如果混凝土的气孔率低则混凝土总体的热导率就高。现有研究表明，通过一些措施确实改善混凝土的导热系数，如在混凝土内掺入钢纤维、粉煤灰以及石墨等，都是提高混凝土的导热性和耐温性的有效措施。因此混凝土作为一种水泥基复合材料，要提高其热性能，有效的方法就是从材料的选取入手。一、加入热导率高的集料，考虑采用高含铁量钢渣、铜矿砂；二、是采用钢纤维，在混凝土中掺入一定量的钢纤维来改善热性能；三、掺入导热性能较好的石墨粉。通过一系列措施，改善混凝土的性能，它将会是一种非常具有前景的储热材料。

3.1 结构表征与性能测试

1、物相表征：在功能材料领域，确定材料以及复合物的物相对研究最终材料的性能非常重要。因为某些材料在特定的衍射角会有特征表达的衍射峰，X射线衍射仪（X-Ray Diffraction，XRD)可以通过测试出材料的特征衍射峰，因此可以通过借助XRD，确定混凝土及其复合物物相成分。同时，功能材料的微结构直接影响材料的某些关键性能，如何实现材料的性能调控，首先需精准的表征材料微观结构。

2、形貌表征：扫描电子显微镜（Scanning Electronic Microscopy，SEM）通过电子枪发射出来的电子束与被测物质作用，产生二次电子和背散射电子，不同类型的电子探头分别捕获二次电子和背散射电子，形成对应的形貌像和成分像。通过形貌像可以获知混凝土材料的颗粒形状、大小、堆积情况等物理信息；通过成分像中颜色衬度的不同定性获取元素、物相组成、嵌布等化学信息。

3、热分析：混凝土材料在加热处理过程会发生物理化学变化，包括吸附水的脱附、结晶水的脱出、材料晶型的转变以及新物相的形成等。同时，也会发生质量的变化，所以采用热重-差式扫描量热法（Thermogravimetric Analysis-Differential Scanning Calorimeter，TG-DSC）测定混凝土及复合材料在加热过程的物理化学变化。

4、导热系数测试：导热系数作为储热材料的关键性能之一，本次实验采用的测试仪器为DTC-300，其测量准确，性能优良，是一种用于测量多种材料导热系数的保护热流计法导热仪，所测量的材料覆盖了高分子材料、陶瓷、复合材料、玻璃、橡胶、岩石、混凝土和一些金属材料，以及其他的具有低、中导热系数的材料。

5、储热容量测试：储热容量体现了储热材料储放热量大小，是储热材料的另一个关键指标。差示扫描量热法（DSC）是一种热分析法，在程序控制温度下，测量输入试样和参比物的功率差（如以热的形式）与温度之间的关系。差示扫描量热仪记录到的曲线称DSC曲线，它以样品吸热或放热的速率，即热流率dH/dt（单位毫焦/秒）为纵坐标，以温度T或时间t为横坐标，可以测定多种热力学和动力学参数，例如比热容、反应热、转变热等，该法使用温度范围宽（-175~725℃）、分辨率高、试样用量少，适用于无机物、有机化合物及药物分析，因此DSC仪器适用于本次实验测量样品的比热容。

6、储放热性能测试：为了模拟储热材料的储热、放热过程，同时更直观的表现制备的材料储热放热速率，采用储放热测试平台（图3-1）评价样品的储放热性能。评价过程为：（1）将样品装入测试管，同时将精度为±0.1℃的热电偶放置在测试管中心检测样品温度；将测试管置于25℃恒温水浴中，直至达到热平衡；（2）达到热平衡后，迅速将移测试管移至70℃水浴锅中，进行储热过程测试，直至温度到达70℃；（3）完成储热测试后，将测试管迅速移回25℃恒温水浴中，进行放热过程测试，直至温度降至25℃。整个过程，采用温度计数器记录温度的变化。

图3-1 储放热测试平台

3.2 研究内容

本文就其设计与制备展开研究，主要研究内容包括以下几个方面：

1、研究低温储热混凝土的配比及其制备工艺；

2、研究影响混凝土性能的技术因素，如配合料掺量等；

3、探讨及表征材料微观结构；

4、对材料性能进行研究分析。

3.3 技术路线

本文通过对提高混凝土导热系数和比热容系数的材料进行研究，确定储热混凝土材料的最优配方，进行混凝土储热实验并测试其性能。同时，通过XRD、SEM等测试仪器探究储热混凝土的微观结构。记录实验过程和现象，对实验结果做出分析。

3. 研究计划与安排

4．进度安排

第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。

第4－8周：按照设计方案进行配料研究，制备储热混凝土。

4. 参考文献（12篇以上）

5．参考文献

[1]代晓东,王余宝,毕晓光,等.2016年世界能源供需情况分析与未来展望——基于《bp世界能源统计年鉴》与《bp世界能源展望》[j].天然气与石油,2017,35(06):8-12 17.

[2]吴艳元.太阳能跨季节蓄热采暖技术研究与实践[j].建设科技,2017(22):29-31.