有机-无机复合相变材料的研究进展

有机相变材料具有过冷度小、无相分离、蓄热强等优势,在相变储热领域一直受到广泛的关注。然而,较低的热导率、液相泄漏和较差的热稳定性成为限制其应用的瓶颈缺陷。近几年,有机-无机复合相变材料的研究成为新的热点,极大地促进了有机相变材料的应用和发展。本文综述了常见的提高有机相变材料导热性能的高导热性纳米材料,以及制备有机-无机定形复合相变材料常选用的多孔支撑材料,并从制备方法、作用方式和热物性等方面介绍了有机-无机复合相变材料,复合相变材料相比于单一纯相变材料具有诸多优越的性能。预测有关结构优化、封装工艺并与高效储能系统结合的研究会成为有机-无机复合相变材料未来的发展趋势。

无机相变材料CaCl_2·6H_2O的过冷特性

CaCl_2·6H_2O作为一种常见的常温无机水合盐相变材料,由于成本低、易获取、蓄热强而受到广泛的关注。按无水CaCl_2与H_2O的质量比为1.027:1制备了CaCl_2·6H_2O,经X射线衍射(XRD)表征其晶体结构;通过添加成核剂SrCl_2·6H_2O和Ba(OH)2对CaCl_2·6H_2O改性,发现两者的联合作用可抑制过冷,10次熔化-冷却循环平均过冷度1.07℃。采用差示扫描量热仪(DSC)测定CaCl_2·6H_2O添加成核剂前后相变潜热,发现潜热由223.54 J·g^(-1)降至160.41 J·g^(-1);为了扩大CaCl_2·6H_2O相变温度的范围,通过添加质量分数分别为5%、10%、15%、20%和25%的MgCl_2·6H_2O,发现相变温度随MgCl_2·6H_2O质量分数的升高呈线性降低,但不宜超过20%;选取CaCl_2·6H_2O-20%MgCl_2·6H_2O二元共晶盐相变储热体系为改性目标,通过添加1%SrCl_2·6H_2O和0.5%CMC,过冷度降至0.57℃,相变潜热为141.09 J·g^(-1),低于单独组成盐CaCl_2·6H_2O的潜热223.54 J·g^(-1)和MgCl_2·6H_2O的潜热163.35 J·g^(-1)。研究表明,CaCl_2·6H_2O作为无机相变材料具有显著的应用价值。

纳米材料/十四酸混合相变蓄热材料的制备与特性

选用纳米金属Cu和碳素材料石墨烯纳米片(GnPs)为改性剂分别添加至十四酸(MA)中,制备出Cu质量分数为1%、2%、3%和4%的Cu/MA混合相变蓄热材料及GnPs质量分数为1%、2%和3%的GnPs/MA混合相变蓄热材料,并对混合相变材料性能进行表征。结果表明:Cu/MA固态和液态热导率随Cu质量分数增加呈线性提高,1%(质量)GnPs/MA固态热导率较纯MA显著提高101.51%,随GnPs质量分数增加,热导率增幅减缓;FT-IR谱图表明Cu与MA及GnPs与MA间的混合均为物理作用;DSC结果显示添加Cu或GnPs可降低MA的过冷度和相变潜热,且随质量分数增加,相变潜热逐渐降低;4%(质量)Cu/MA和3%(质量)GnPs/MA放热时间相比于纯MA分别减少了23.4%和38.7%;4%(质量)Cu/MA和3%(质量)GnPs/MA在经历300次快速热循环试验后,晶体结构和相变温度基本保持不变,相变潜热分别降至168 J·g^(-1)和181 J·g^(-1)左右,仍满足蓄放热要求,两种材料均具有良好的热循环稳定性。

改性CaCl_(2)·6H_(2)O混合相变蓄热材料的制备与特性

选用碳素材料(C)石墨(Gr)、石墨烯纳米片(GnPs)、多壁碳纳米管(MWCNTs)和SrCl_(2)·6H_(2)O(SCH)为改性剂添加至无机相变材料CaCl_(2)·6H_(2)O(CCH)中,制备出不同质量分数碳素材料的无机混合相变蓄热材料C/0.2%SCH/CCH,并表征混合相变材料性能。结果表明:混合相变材料液态导热系数随碳素材料质量分数增加均呈线性提高,其中2.0%石墨烯纳米片可将导热系数提高69.35%;XRD谱图表明碳素材料、SrCl_2·6H_(2)O和CaCl_(2).6H_(2)O之间的混合都为物理作用;DSC结果显示随碳素材料质量分数增加,相变潜热逐渐降低;质量分数4.0%Gr、2.0%GnPs和2.8%MWCNTs将0.2%SCH/CCH的放热时间分别减少了18.0%、41.9%和12.8%;4.0%Gr/0.2%SCH/CCH、2.0%GnPs/0.2%SCH/CCH和2.8%MWCNTs/0.2%SCH/CCH在经历100次加速热循环实验后,相变潜热分别降至186 J/g、189 J/g和183 J/g左右,仍满足蓄热要求,混合相变蓄热材料具有良好的热循环稳定性。