柔性相变复合材料及其应用研究进展

柔性相变复合材料因其兼具优异的相变储能特性、耐受外力形变的柔性及与控温器件复合的可加工性,在智能材料开发中受到研究者的广泛关注。文中详述了通过聚合物网络共混、多孔骨架吸附及相变分子结构设计等3种支撑结构策略制备柔性相变复合材料的研究现状;总结了其在电池热管理器件、可穿戴电子器件和柔性传感器等领域的应用;最后,对柔性相变复合材料的研究重点和未来发展方向进行了展望。

PEG4000/聚苯胺形状稳定复合相变材料的制备及其储热性能

以聚苯胺气凝胶(PANI)为支撑骨架,聚乙二醇4000(PEG4000)为相变材料,银纳米线(AgNWs)为导热增强填料,采用低温氧化聚合法和真空浸渍法制备得到具有良好形状和循环稳定性的定形相变复合材料PEG4000@Ag/PANI.聚苯胺气凝胶的高孔隙率及PEG4000与基体材料间的氢键作用和毛细作用,使得相变复合材料的最高负载率能够达到94.17%(熔融焓为165.17 J·g^(–1),凝固焓为152.77 J·g^(–1));加入AgNWs与PANI气凝胶共同搭建导热通路,提高了相变复合材料的导热性能(热导率最高为0.45 W·m^(–1)·K^(–1),比纯PEG4000提高80%);借助Ag NWs和聚苯胺优异的光吸收能力,相变复合材料的光–热转换效率达到90.61%.高储能密度、高光热转换能力和高热导率定形相变复合材料的成功制备为新型相变复合材料的合成提供了新思路,为太阳能光–热转换和储能应用提供了新材料,实现对太阳能的高效利用.

骨架结构对SiC/Al双连续相复合材料的影响

用挤压铸造法制备了不同结构的SiC泡沫增强ZL109双连续相复合材料,研究了增强体骨架结构(筋的结构、泡沫孔和体积分数)对复合材料压缩性能和弯曲性能的影响。结果表明:SiC泡沫增强体的筋的结构影响了界面的结合,影响了材料的压缩性能;当筋具有三明治结构时,复合材料的强度最大;当筋具有双层结构时,复合材料的强度最低;随着SiC泡沫孔径的增大,复合材料的压缩强度、弹性模量和屈服强度都有所提高,材料的屈服应变减小,弯曲强度先升高后降低,弯曲强度在泡沫孔径为1.5 mm时达到最大值;复合材料的压缩强度随着增强体体积分数的增大而提高,屈服应变随着体积分数的增大而减小。

界面过渡层对SiC/Al双连续相复合材料性能的影响

研究了界面过渡层对SiC/Al双连续相复合材料性能的影响。结果表明,界面过渡层降低了复合材料中的残余应力,改善了界面的结合,提高了复合材料的压缩性能。当界面过渡层中SiC的体积分数接近50%时,复合材料的压缩强度最高,塑性最好,但弹性模量较低。界面过渡层的存在改变了复合材料的弯曲断裂机制。SiC原始泡沫增强的复合材料在断裂时,增强体SiC泡沫先断裂,基体后破坏,断裂表面凹凸不平;含界面过渡层的复合材料断裂时,过渡层的外侧界面先被撕开,内侧界面结合良好,基体与增强体同时断裂,断口平整。

挤压铸造SiC／ZL109铝合金双连续相复合材料的凝固组织

研究了挤压铸造工艺参数和SiC泡沫增强体对ZL109铝合金基体凝固组织的影响,探讨了复合材料的凝固过程．结果表明,采用先浇注基体熔体、后放置骨架的复合工艺制备的复合材料组织比先放置骨架、后浇注熔体的复合材料均匀; SiC泡沫增强体降低了复合压力对基体组织的影响,使得提高复合压力虽然可以细化基体的组织,但效果不明显． SiC泡沫增强体对基体的晶粒尺寸没有明显的影响,但是改变了晶粒的形态．泡沫孔内的α-Al初晶表现为粗大的柱状晶,其方向垂直于泡沫增强体的筋．泡沫孔的尺寸越小,越容易形成枝晶组织,枝晶的方向性越强． SiC／ZL109铝合金双连续相复合材料基体凝固时, α-Al 首先在泡沫筋的附近形核,然后逐渐向泡沫孔的中心长大．α-Al枝晶形成轮廓以后,中心富硅区发生共晶反应,筋表面的共晶硅最后形成．

利用TG研究中低温有机相变复合材料的耐热性

用石蜡、硬脂酸、聚乙二醇(PEG_(4000))为相变主材料,活性炭和膨胀石墨为支撑材料,制备出不同配合比的复合中低温有机相变材料,并利用热重分析(TG)测试其受热时的热分解过程。活性炭和膨胀石墨的加入,可以提高硬脂酸基和石蜡基复合相变材料的起始热分解温度。实验结果证明,与其他实验样品相比,PEG_(4000)与活性炭的质量配合比为84%∶16%制得的PEG_(4000)/活性炭复合相变材料热稳定性较好,起始热分解温度为378℃,424℃时失重率为84%。

超高温复相陶瓷基复合材料烧蚀行为研究

采用前驱体浸渍热解(PIP)工艺制备了ZrC-SiC、ZrB_(2)-ZrC-SiC和HfB_(2)-HfC-SiC复相陶瓷基复合材料,复合材料中的超高温陶瓷相均呈现出亚微米/纳米均匀弥散分布的特征,对比研究了上述材料在大气等离子和高温电弧风洞考核环境中的超高温烧蚀行为。研究结果表明,超高温复相陶瓷基复合材料相比传统的未改性SiC基复合材料,烧蚀后复合材料表面原位生成了固液两相致密氧化膜,两相协同作用实现了抗冲蚀和抗氧化的效果,对液相SiO_(2)的流失起到了阻碍作用,提升了材料的超高温烧蚀性能。在此基础上,提出了设计超高温复相陶瓷基复合材料应考虑的因素。上述研究结果对陶瓷基复合材料在超高温有限寿命领域的应用具有一定的指导意义。

共晶盐/陶瓷基相变复合材料新型储能元件的研制

共晶盐／陶瓷基相变复合材料新型储能元件的研制王辅亚张惠芬冯璜王德强（中国科学院广州地球化学所，广州５１０６４０）关键词复合材料储能元件共晶盐／陶瓷基相变复合材料能源的储存是节约能源、提高能源利用率的重要途径。共晶盐／陶瓷基相变复合新型储能元件是集吸收...

双连续相复合材料在高速列车制动盘及闸片中的应用

简述了国内外对高速列车制动材料的研究概况,探讨了高速列车制动系统对制动材料 的要求,分析了双连续相复合材料的性能及其在高速列车制动系统中的应用前景。

石蜡相变微胶囊及石蜡相变复合材料研究进展

介绍了石蜡相变微胶囊及石蜡相变复合材料的性能特点,阐述了原位聚合、界面聚合等主要的石蜡相变微胶囊制备方法,综述了石蜡相变微胶囊及石蜡相变复合材料在各领域内,特别是相关军事领域中的应用。

两相复合材料等效磁导率计算

借鉴细观力学中计算多相复合材料弹性模量的方法提出了一种计算两相复合材料等效磁导率的新方法。通过引入参考材料,依据Hashin-Shtrikman变分原理确定了复合材料等效磁导率的取值范围,并推导出两相复合材料的有效磁导率公式。数值计算结果与实验数据基本吻合,表明了该方法在低铁纤维浓度时能够较好地预测复合材料的等效磁导率,对于优化复合材料电磁参数具有一定的参考意义。

基于RBF网络优化制备均匀粒度分布的微米级SiO_2基相变调湿复合材料

以SiO_2为载体、癸酸-棕榈酸为相变材料,采用溶胶-凝胶法制备微米级SiO_2基相变调湿复合材料。运用均匀设计结合RBF网络优化制备参数,对最均匀粒度分布微米级SiO_2基相变调湿复合材料进行表征。结果表明:当扩散系数为0.5时,RBF网络具有最佳的逼近效果;最优制备工艺参数:溶液pH值为4.27,去离子水用量为8.58,无水乙醇用量为4.83和超声波功率为316W;最均匀粒度分布微米级SiO_2基相变调湿复合材料的d10,d50,d90分别为383.51,511.63,658.76nm,d90-d10实测值为275.25nm,实测值与预测值吻合较好,相对误差为-2.64%;最均匀粒度分布微米级SiO_2基相变调湿复合材料在相对湿度为40%~60%时,平衡含湿量为0.0925~0.1493g/g,相变温度为20.02~23.45℃,相变焓为54.06~60.78J/g。

复合乳化剂作用下相变调湿复合材料的性能和机理

以司盘-80、吐温-80和十二烷基硫酸钠合成不同配方的复合乳化剂,与SiO 2为载体材料,棕榈醇-棕榈酸-月桂酸为相变材料,采用溶胶-凝胶法制备一系列相变调湿复合材料。利用激光粒度分析仪、扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱仪、差示扫描量热仪和动态水分吸附分析仪研究不同复合乳化剂配方对相变调湿复合材料粒度分布、微观形貌、组成结构、热性能与湿性能的影响,分析复合乳化剂对相变调湿复合材料热性能与湿性能的影响机理。结果表明:以司盘-80、吐温-80和十二烷基硫酸钠为复合乳化剂制备具有良好热性能与湿性能的相变调湿复合材料,其相变材料质量分数达到70.34%~74.00%,在相对湿度为40%~60%之间的湿容量为0.0361~0.0390g/g。以司盘-80、吐温-80和十二烷基硫酸钠为复合乳化剂有效改善相变调湿复合材料的粒度分布与均匀程度,并且提高相变调湿复合材料的分散性。

SiC_(foam)/Al双连续相复合材料的压缩行为

采用实验和模拟相结合的方法,利用ANSYS有限元软件对SiCfoam/Al(碳化硅泡沫增强铝基复合材料)双连续相复合材料的压缩行为进行了研究,分析变形过程中应力应变分布和材料特殊双连续结构对复合材料性能的影响。结果表明:应力和应变分布都具有明显的轮廓曲线,且与SiC泡沫轮廓吻合,最大应力和应变均出现在泡沫筋的连接区,加速了材料的失效。复合材料的弹性模量同时具有奇异的成分效应和结构效应,即弹性模量不但与材料成分有关,而且由材料中连续的强化相决定,特殊的双连续相结构使复合材料具有高的弹性模量和压缩屈服强度。随着增强体体积分数的增加,复合材料的屈服强度具有最大值,模拟结果和实验结果一致。

浸渗温度对SiC/Al双连续相复合材料界面组织和导热性的影响

采用原位反应无压浸渗工艺,制备了Si C/Al双连续相复合材料,研究烧结温度对Si C/Al双连续相复合材料的导热性能的影响,观察Si C/Al双连续相复合材料的表面形貌。结果表明:Al合金熔体在无压下能渗入三维网状Si C多孔陶瓷孔隙,形成组织均匀具有网络贯穿结构的Si C/Al双连续相复合材料。浸渗温度对复合材料的导热系数影响很大,当浸渗温度为900、1000、1100和1200℃时,复合材料室温下的导热系数分别为167.4、160、154和152 W/(m·K),与浸渗温度900℃相比,浸渗温度1200℃复合材料室温下的导热系数下降了9%。因此,在保证浸渗完全的情况下,随着浸渗温度的升高,复合材料的导热性能越来越差,这主要是由于高温下熔融Al液与Si C陶瓷之间发生界面反应所致;适当地降低熔渗温度可以减缓界面反应的程度,从而提高复合材料的导热性能。本实验的最佳工艺条件为N2气氛,900℃保温3 h。

基于两相复合材料的煤矸石混凝土弹性模量研究

目的提出一种基于两相复合材料理论的煤矸石混凝土弹性模量预测模型,为煤矸石混凝土弹性模量的计算提供借鉴。方法基于普通混凝土弹性模量预测模型,考虑煤矸石粗骨料取代率的影响,推导得到煤矸石混凝土弹性模量预测模型;采用文献中39组自燃煤矸石和12组原状煤矸石混凝土弹性模量试验数据验证模型的可靠性。结果传统的自燃煤矸石和原状煤矸石混凝土弹性模量预测模型精度还需提高,预测结果与试验结果相差26%~31%;对于基于两相复合材料理论提出的煤矸石混凝土弹性模量预测模型中,BNC模型预测精度最高,对于自燃煤矸石和原状煤矸石混凝土,其预测结果与试验结果比值的均值分别为0.936和1.030,判定系数分别为0.839和0.943。结论BNC模型较传统预测方法能更为准确地预测煤矸石混凝土的弹性模量。

硅藻土基定形相变复合材料的制备与热性能研究

以硅藻土为基材,在高温条件下物理吸附相变材料A,再经冷却、粉碎及真空干燥后制得硅藻土基定形相变复合材料,并对制得的硅藻土基定形相变复合材料的结构形貌、化学组成、热性能、粒径变化进行了测试。研究结果表明,相变材料A被成功吸附至硅藻土孔隙中,且没有发生其他化学变化,硅藻土基定形相变复合材料的熔融温度为143.53℃,熔融焓55.26kJ/kg,储热效率为55.08%,硅藻土对相变材料A的实际吸附率为91.67%;原硅藻土的平均粒径为1316nm,硅藻土基定形相变复合材料的平均粒径为971nm,具有良好的定形效果,在加热至相变材料熔融温度以上仍未发生渗漏。

三元脂肪酸共晶物/二氧化硅定形相变复合材料的制备及其热性能

首先以月桂酸(LA)、肉豆蔻酸(MA)、硬脂酸(SA)为相变材料制备LA-MA-SA三元脂肪酸共晶物,然后以SiO2充当支撑材料,采用溶胶-凝胶法制备LA-MA-SA/SiO2三元定形相变复合材料。通过傅里叶红外变换光谱仪(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)以及差示扫描量热仪(DSC)等对其结构形貌与热性能进行测试表征。FTIR和SEM测试结果表明,LA-MA-SA三元脂肪酸共晶物在SiO2的孔状网络结构中均匀分散,两者之间通过毛细管效应与表面张力相结合;DSC测试表明,脂肪酸共晶物在定形相变复合材料中的百分含量可高达62.44%,对应LA-MA-SA/SiO2三元定形相变复合材料的熔融和结晶温度分别为31.4℃和26.1℃,热焓分别为109.7kJ/kg和108.4kJ/kg。制备的LA-MASA/SiO2三元定形相变复合材料热稳定性较好,在经过50次热循环后也未发生渗漏,且蓄放热速率较LA-MA-SA共晶物分别提高了35%和32%。

连续制动条件下泡沫陶瓷/金属双连续相复合材料的摩擦磨损性能

为解决履带式特种车辆机械制动器过热失效问题,采用挤压铸造法制备SiC/Cu和SiC/Fe双连续相复合材料,研究两种材料在连续紧急制动工况和连续高温制动工况下的摩擦磨损性能。结合扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱分析(EDS)、三维形貌仪等手段分析摩擦因数、温度和磨损率的变化规律,揭示相应的磨损机理。结果表明:在连续紧急制动实验中,接触表面经历了摩擦膜形成和层间断裂过程,摩擦因数随接合次数增加略微下降,并趋于稳定。在前40次接合中,SiC/Cu和SiC/Fe摩擦副的磨损率整体下降。在40~60次接合中,SiC/Cu摩擦副黏着磨损、氧化磨损和疲劳磨损加剧,磨损率升高。而SiC/Fe摩擦副以磨粒磨损为主,磨损率较低。在连续高温制动实验中,摩擦因数在前6次接合中逐渐升高,制动时间逐渐缩短。在第6次接合后,摩擦副边缘区域出现的黏着磨损和疲劳磨损导致力矩下降,摩擦因数和制动时间均呈先降后升趋势。连续高温制动过程中以严重的黏着磨损为主,SiC/Cu和SiC/Fe摩擦副的磨损率均随接合次数增加而升高。

导热多级相变复合材料的制备及其在热管理中应用

通过熔融共混法制备了具有石蜡(PW)单一相变特性、高密度聚乙烯(PE-HD)单一相变特性、PW和PE-HD多级相变特性的相变复合材料,探究相变材料的相变特性对电子器件热量管理效果的影响。实验以加热片模拟发热电子器件。结果表明,单一相变复合材料可以使加热片温度降低17.9℃,而多级相变复合材料可以使加热片温度降低27.2℃。在多级相变复合材料的基础上进一步引入导热填料-石墨烯微片(GNPs),可以加快电子器件的热量向多级相变复合材料传递并高效耗散,从而能进一步降低加热片的温度。结果表明,含质量分数10%的GNPs的多级相变复合材料能使加热片温度降低32.8℃。因此,制备得到的导热多级相变复合材料在电子电器热量管理中表现出巨大的应用潜力。