基于石墨烯相变材料的锂离子电池热管理技术研究

锂离子电池由于其高能量与高能量密度而被广泛运用于生活中的各个领域,但这也导致它在运行期间容易升温,影响电池的正常工作。相变材料(PCM)是一种有效热能存储材料,由于其在转变物理性质的过程中可以吸收或者释放大量潜热,从而被研究应用于电池热管理系统。该文以石蜡(PA)作为相变基体,膨胀石墨(EG)和石墨烯协同增强导热,制备高导热性的复合相变材料。在不同石墨烯含量下,观察其在锂电池放电过程中的冷却作用。结果表明,复合相变材料能有效降低工作中锂离子电池的表面温度,同时使电池的性能更加稳定。通过对比复合相变材料与PA的降温效果,发现当放电倍率越高,其降温效果越好。当放电倍率为3C、复合相变材料为PCM-4时,冷却效果较好,电池最高表面温度41.24℃,比PCM-1下降5.31℃,较PA而言,温度降低10.39℃。

中低温双阶相变聚氨酯硬泡的制备及性能

采用真空吸附法制备了十八烷/膨胀石墨和石蜡/膨胀石墨定形相变材料为前驱体,将其按比例复配得到中低温双阶相变材料,并采用全水发泡一步法制备了中低温双阶相变聚氨酯硬泡材料。通过SEM、DSC、TGA和万能试验机等测试方法对聚氨酯硬泡的泡孔结构、力学性能、相变性能、热稳定性和调温能力进行研究。结果表明,当双阶相变材料为95%时,其熔融焓和结晶焓分别为58.29和53.69 J/g,且在匀速加热和降温的过程中,在26oC和60oC出现了恒温平台,表现出良好的调温控温能力。

耐高温多元插层膨胀石墨材料及其应用研究

随着深井、超深井勘探开发力度的不断加大,深层高温、高压等苛刻条件对钻井液提出了更高的要求。针对常规井筒强化材料较难满足深层、特深层钻井过程中的高温、高压等难题,研究了一种在150℃条件下即可膨胀的石墨材料,探索其在高温钻井液中的封堵、降滤失等特性。膨胀石墨是一种具有耐高温(500℃)、高膨胀性能、自润滑性的柔性膨胀材料,现有膨胀石墨起始膨胀温度通常都高于300℃,无法在井底温度条件下发生膨胀。本文采用多元氧化插层法制备了低于300℃即可膨胀的石墨材料,将其起始膨胀温度由300℃降至150℃,研究了该膨胀石墨多元氧化插层膨胀机理,进一步考察了其在高温钻井液中的封堵、降滤失性能。

低温易膨胀石墨的制备工艺研究

以不同粒度的天然鳞片石墨作为原料,HClO4/H3PO4/(CH3CO)2O/CrO3作为氧化插层体系,通过对反应物用量、时间、温度进行研究,确定了最佳制备工艺条件。结果表明:按反应物质量比为C∶HClO4∶H3PO4∶(CH3CO)2O∶CrO3=1∶3∶2.3∶1.4∶0.18、反应温度为40℃、反应时间为70 min时,膨胀石墨蠕虫体积最大。研究发现,天然鳞片石墨粒度越大,膨胀石墨蠕虫体积越大。此工艺条件下制备的可膨胀石墨在170℃开始膨胀,300℃膨胀体积可达350 mL/g,具有低温易膨胀的特点。

一种高起始膨胀温度及高膨胀性能可膨胀石墨的制备

可膨胀石墨作为典型的物理膨胀阻燃剂具有瞬间膨胀力强、无滴落、短时间内将火熄灭等优点.为了合成高膨胀性能,较高起始膨胀温度的可膨胀石墨,实验考察了KMnO4用量、H2SO4浓度及其用量、反应温度等因素对可膨胀石墨的起始膨胀温度及膨胀容积的影响.根据L9(34)正交实验结果筛选出了制备高起始膨胀温度及高膨胀性能的可膨胀石墨实验方案:m(C)∶m(KMnO4)∶m(质量分数98%H2SO4)=1.0∶0.15∶4.0,硫酸的质量分数为50%,在45℃下反应30min,得到起始膨胀温度为300℃、膨胀容积为360mL/g的可膨胀石墨.添加质量分数30%的可膨胀石墨可以使乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)的氧指数由20%提高到28.1%,表明可膨胀石墨具有良好的阻燃性能.

水交换法制备低温可膨胀石墨的研究

采用一种新型的水交换法制备工艺,以天然石墨、高锰酸钾、浓硫酸为原料,制得了在160℃时即可发生膨胀的低温可膨胀石墨。采用热失重分析(TGA)、傅立叶转换红外光谱分析(FT-IR)、X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)对其结构进行了表征与分析。结果表明,通过水交换法使得插入石墨层间的主要物质为水,水在低温下瞬间汽化对石墨片层产生张力,导致石墨低温膨胀,因此,石墨发生膨胀时无有害小分子释放,对环境友好。

聚丙烯/低温可膨胀石墨阻燃复合材料的性能研究

采用低温可膨胀石墨(LTEG)作为阻燃剂,制备了聚丙烯基阻燃复合材料。研究了聚丙烯/LTEG阻燃复合材料的阻燃性能、热性能、剩炭结构和力学性能。研究发现,采用LTEG为阻燃剂的聚丙烯基阻燃复合材料具有优异的阻燃性能,LTEG质量分数为15%时,复合材料氧指数已达27%。聚丙烯/LTEG复合材料的热失重温度低,在燃烧过程中并没有形成理想致密的炭层。LTEG对聚丙烯具有增强作用,随着其用量的增加,复合材料的拉伸强度增加,断裂伸长率不断下降。

高倍率无硫低温可膨胀石墨的电化学法制备

为使用低污染的方法制备低温可膨胀石墨(LTEG),以天然鳞片石墨(NFG)为原料,以高氯酸溶液为电解液,通过电化学法制备了起始膨胀温度低,低温膨胀容积大且不含硫的LTEG.探讨了电流密度、电解时间、电解液中HClO_4的质量分数和膨胀温度对膨胀容积(EV)的影响,采用FT-IR、TGA和XRD对制得的LTEG进行了研究.结果表明:电解液中HClO_4的质量分数可以低至50%,与化学法相比大幅降低,电解液易于循环使用,对环保有利;LTEG在200和950℃时的FV分别高达282和594 mL/g,具有高倍率、无硫和低温膨胀性能;LTEG表面有羰基和羧基生成,层间存在ClO_4^-和HClO_4插层物;在2θ为25.76°处的特征衍射峰强度非常弱,而在2θ为9.41°处有一宽峰,对应层间距为0.941 nm;在60~330℃之间发生明显热失重,失重率约为28%,在60~800℃之间的总热失重率约为35%.

基于低温易膨胀石墨制备阻燃聚乳酸材料

采用自制的低温易膨胀石墨(LEG)与聚磷酸铵(APP)制备阻燃聚乳酸复合材料,研究复合材料的阻燃性能以及不同气氛下的热稳定性;通过热重分析、红外光谱以及扫描电镜研究了阻燃聚乳酸的热降解进程以及残炭结构,进而探讨了二者的协同阻燃机理。研究表明:APP与LEG存在较好的协同阻燃效应,当阻燃剂总添加量为15%(APP为5%,LEG为10%)时,阻燃聚乳酸的极限氧指数达到32.1%,垂直燃烧测试达UL 94 V-0级。

石蜡型复合相变材料蓄热性能实验研究

以石蜡作为复合相变蓄热材料,利用膨胀石墨的高吸附性和高导热性提高相变材料的传热性能。在长方体内,采用带翅片的换热结构,研究加入不同膨胀石墨含量的石蜡在蓄热过程的蓄热性能,通过对不同温度热源下的蓄热过程的测试,得出不同膨胀石墨含量的石蜡相变材料蓄热规律。实验结果表明随着添加膨胀石墨的含量逐渐增大,复合石蜡相变蓄热的时间大大缩短,由于不同温度热源所导致的与相变点的温差对复合相变材料相变时间影响明显,在实验测试的范围内,所添加的膨胀石墨对石蜡相变点的影响很小。

二十二烷/膨胀石墨复合相变材料的制备与表征

基于膨胀石墨(EG)良好的热性能和吸附性,以膨胀石墨为吸附介质,以二十二烷(DE)为相变材料,用熔融共混法制备了二十二烷/膨胀石墨复合相变材料,采用扫描电镜、差示扫描量热仪、综合热分析仪、X射线衍射仪等对其进行性能测试和表征分析。结果表明,膨胀石墨具有网络状微孔结构,通过与二十二烷的物理结合将其封装,使其稳定性提高,同时颗粒粒径较小且均匀性较好,分散性提高;随着膨胀石墨含量的增加,复合相变材料导热系数提高、热稳定性增强;复合相变材料的相变温度较二十二烷略有降低,过冷现象得到改善,并具有较高的相变潜热;综合分析,复合相变材料中膨胀石墨的最佳含量为10%(质量分数)左右。

利用封闭剂制备高起始膨胀温度可膨胀石墨

以天然鳞片石墨为基质,85%的硫酸为插入剂,高锰酸钾为氧化剂,经氧化、插入、封闭、陈化等过程,制备出起始膨胀温度310℃、膨胀容积270mL/g的高起始膨胀温度的可膨胀石墨。研究了可膨胀石墨起始膨胀温度、膨胀容积的影响因素;得出了制备高起始膨胀温度可膨胀石墨的最佳反应条件及物料配比;提出了使用封闭剂制备可膨胀石墨的新方法,该法与传统方法相比,制品起始膨胀温度提高近50℃。

HNO3、H2SO4共同插入法制备低温可膨胀石墨研究

采用HNO3、H2SO4共同插入法制备低温可膨胀石墨。将HNO3、H2SO4按一定比例混合,加入天然鳞片石墨和氧化剂充分反应,形成石墨层间化合物,经过水洗、烘干,制得低温可膨胀石墨。研究制备低温可膨胀石墨的最佳条件:室温条件下,最佳物料比为:石墨∶高锰酸钾∶混酸=1∶0.11∶3(质量比);制得300℃下膨胀容积为180ml/g、600℃下膨胀容积可为400ml/g的低温可膨胀石墨。

基于低温易膨胀石墨阻燃聚乳酸的热稳定性研究

采用自制的低温易膨胀石墨与聚磷酸铵制备阻燃聚乳酸(FR–PLA)复合材料,研究了其在氮气气氛下的热稳定性;采用Kissinger和Flynn-Wall-Ozawa方法分析了PLA和FR–PLA的热降解活化能,利用Badia法确定了PLA和FR–PLA的热降解反应机理。研究表明,低温易膨胀石墨和聚磷酸铵改变了PLA的热降解进程,提高了其高温下的热稳定性;FR–PLA的表观活化能高于PLA的表观活化能,且表观活化能数值变化趋势符合FR–PLA的热降解进程;PLA的热降解动力学模型为成核与生长模型,而FR–PLA的热降解动力学模型为扩散控制模型,即其热分解反应速率受扩散过程控制,符合膨胀阻燃机理。

低温可膨胀石墨的制备

本实验以HClO4/NaBrO3/KMnO4/CrO3/FeCl3为氧化插层体系制备低温可膨胀石墨,研究了氧化插层试剂对膨胀容积的影响。其最佳工艺条件是在常温下反应40min,石墨、高氯酸、溴酸钠、高锰酸钾、三氧化铬、三氯化铁的最佳质量比为1:4:0.15:0.15:0.13:0.03,制得的可膨胀石墨在220℃时膨胀容积为201mL/g。实验中还用X射线衍射法研究了插层反应对石墨结构的影响。

月桂酸-肉豆蔻酸-癸酸/膨胀石墨定形相变材料的制备与性能研究

采用超声波震荡法制备了月桂酸-肉豆蔻酸-癸酸三元脂肪酸共晶物,以膨胀石墨为基体,真空吸附法制备出月桂酸-肉豆蔻酸-癸酸/膨胀石墨新型复合相变材料。FT-IR、SEM和DSC的测试结果表明:脂肪酸与膨胀石墨间属于物理结合,具有良好的化学稳定性;复合材料的熔点为21.82℃,潜热值为121.5J/g,适用于建筑储能领域;1000次加速冷热循环后其熔点和潜热变化极小,显示了良好的热稳定性。由于膨胀石墨的加入,复合相变材料的导热能力显著提高,更利于相变材料的实际应用。

正癸酸-月桂酸-硬脂酸三元低共熔体系/膨胀石墨复合相变材料的制备与表征

将正癸酸(DA)、月桂酸(LA)和硬脂酸(SA)熔融共混制备了三元体系相变材料(DA-LA-SA),以DA-LA-SA为相变材料,膨胀石墨(EG)为载体材料,用熔融共混法制备不同DA-LA-SA含量的三元低共熔脂肪酸/膨胀石墨复合相变材料(DA-LASA/EG-PCMs)。采用FT-IR、XRD、SEM、TGA和DSC对其组成成分、晶体结构、微观形貌、相变温度和相变焓进行表征。结果表明,当DA、LA和SA的质量配比为1∶8∶1时,DA-LA-SA具有较低的相变温度和较高的相变焓;EG由大量的微孔构成,通过微孔束缚和表面吸附与DA-LA-SA物理结合,具有良好的稳定性;EG质量分数为10%时,所制备的DA-LA-SA/EG-PCMs三元相变体系复合相变材料的相变温度为38.6℃,相变焓为123J/g,导热系数为3.572 1 W·(m·K)-1,分散均匀,颗粒粒径较小,具有优良的热性能和稳定性。

HClO_4/H_2SO_4体系制备的低硫可膨胀石墨的结构与性能

采用多种分析手段,对HClO4/H2SO4/KMnO4/CH3COOH氧化插层体系制备的低硫可膨胀石墨的结构和性能进行了研究。发现制备的可膨胀石墨从181.2℃开始发生明显的热失重,具有低温膨胀性能,300℃时的膨胀容积为115mL/g,400℃时可达263mL/g,可膨胀石墨的石墨片层间存在SO42-、ClO4-、CH3COO-阴离子插层物和H2SO4、HClO4、CH3COOH等中性分子插层物,可膨胀石墨的X射线衍射图谱在2θ为29.25°处出现一个不太强的衍射特征峰。

水溶液法制备NaNO_3-LiNO_3/石墨复合高温相变材料研究

利用饱和水溶液法,在NaNO3和LiNO3混和溶液中添加膨胀石墨(EG),在温度90℃的水浴箱内用强力电动搅拌机搅拌,随后放入120℃电热恒温鼓风干燥箱内24h烘干,得到NaNO3-LiNO3/EG高温复合相变材料,并分别制备了EG含量为10%、20%、30%的相变材料。利用SEM、DSC、Hot-disk和自行设计的自动循环设备分别对复合相变材料的微观形貌、相变温度、潜热、导热系数以及热循环过程中储放热行为进行了测试。研究表明,NaNO3-LiNO3共晶盐能够被吸附到石墨片层之间,形成稳定、均一的复合相变材料。随EG含量的增加,复合相变材料的有效潜热不断降低,但是相变温度变化微小,相变材料本身的储热性能也没有显著的变化,因此EG没有改变相变材料的储热性能。EG含量的增加,会显著提高复合相变材料的导热系数,并且随EG含量的增加而不断增大。EG含量低的复合材料在多次蓄放热的热循环过程中,热稳定性较好。饱和水溶液法制备NaNO3-LiNO3/EG复合相变材料是一种非常有效的强化复合材料导热功能的制备方法。在实际应用中,要综合考虑储热量、导热性能和热稳定性等各方面因素进行优化选择,以便使储热系统能够高效率、快频率、长寿命地运行。

可膨胀石墨在膨胀型钢结构防火涂料中的应用研究

为了克服钢结构防火涂料膨胀发泡层蓬松易脱落和易开裂的缺点,采用可膨胀石墨来改善防火涂料发泡层的结构。研究了可膨胀石墨对发泡层形貌和钢结构耐火极限的影响。结果表明,可膨胀石墨膨胀后成"蠕虫"状穿插于发泡层中,起到增强作用,使炭质层结构更致密。采用膨胀容积为180 mL/g、粒径为0.18 mm、起始膨胀温度为150℃的可膨胀石墨时,当添加量为3%时具有较好的改性作用。