碳纳米球对相变蓄热材料的成型稳定性和热力学行为的影响外文翻译资料

 2022-10-24 21:54:39

英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

碳纳米球对相变蓄热材料的成型稳定性和热力学行为的影响

（Effect of carbon nanospheres on shape stabilization and thermal behavior of phase change materials for thermal energy storage）

Mohammad Mehralia,*,Sara Tahan Latibari a, Mehdi Mehralia,Teuku Meurah Indra Mahliab,

Hendrik Simon Cornelis Metselaara,*

aAdvanced Material Research Center,Department of Mechanical Engineering,University of Malaya,50603 Kuala Lumpur, Malaysia
bDepartment of Mechanical Engineering,Universiti Tenaga Nasional,43009 Kajang,Selangor, Malaysia

摘要

硬脂酸是中温蓄热系统常用的相变材料。为了增加硬脂酸的结构稳定性和热导性能，实验中我们研究了碳纳米球作为纳米填料时的影响。研究发现，在没有泄露的熔化状态下碳纳米球中存留的硬脂酸最大质量分数为80wt％，即使在超过硬脂酸熔点下加热时也是这个数值。滴点测试表明在相变材料的操作温度范围内发生相变时没有液体泄漏。实验中，相变材料的热稳定性和热力学性质分别利用TGA和DSC来表征；SA/CNS复合材料的热导率利用激光闪光的方法来测试。当碳纳米球的填充量达到最大值（50wt%）时，在35℃下热导率增加大约105%。热循环测试表明组织稳定的相变材料有很好的热稳定性和化学耐久性，在热能储存领域有潜在的使用前景。

关键词：碳纳米球 相变材料 热能储存 热导率

1．简介

能源危机和全球变暖已经成为全球普遍关注的问题，像太阳能这种可选择能源的高效利用已经成为人们研究的热点。由于太阳辐射存在波动性，热能储存对太阳能的应用是必不可很少的。相变材料在相变过程中能够储存和释放大量的热量的优异性能，使其在热能储存系统有着重要的应用。相变材料按照其组成可以分为有机和无机相变材料。有机相变材料由于其高的潜热密度稳定的相变温度和稳定的物理和化学性能近几年得到了大家的广泛关注，纯的有机相变材料有许多的缺点，例如低的热导率和相变时所发生的体积变化和液体渗漏，这些缺点在一定程度上限制了它的使用。相变材料的封装和结构的稳定化可以消除这些缺点。将组成稳定的相变材料和热导性良好的支撑材料进行复合可以得到性能优良的储热材料，复合后的材料即使在超过相变材料的熔点温度下也是保持固态的形状，这种方法是解决相变材料液体泄漏和低热导率问题最高效的方法。如今有很多使用多孔材料来实现相变材料结构稳定的制备和表征的研究，例如利用扩充的珍珠岩、石墨、扩充的石墨、碳纳米纤维、碳纳米管、石墨纳米片、石墨烯/氧化石墨烯、和石墨烯纳米片等材料。已获得的实验结果表明基于多孔材料的结构稳定的相变材料在热能储存领域有着很大的应用潜能。在我们早期的工作中，我们利用石墨烯纳米片和氧化石墨烯来增强相变材料的结构稳定性和热导率。

本研究的目的在于介绍一种利用碳纳米球得到的新型的组成稳定的复合相变材料。碳纳米球这种材料具有很高的热导率和很高的比表面，这些性质可以在相变材料的相变过程中起到结构稳定的作用，因为碳纳米球可以利用其表面张力和毛细管力控制住液体。这种新的复合物在相变过程中有很高的热导率和热稳定性，因此可以利用在诸如太阳能等的能量储存设备中。

2．实验部分

2．1．材料

硬脂酸（纯度为95%，熔点为50到60℃）；D-葡萄糖用作碳纳米球的原料。

2．2．碳纳米球的制备

碳纳米球利用简单的水热法制备，制备方法如下：

葡萄糖（4.0g）和水（50ml）混合搅拌为均一的溶液，然后将溶液反应釜中在180℃下反应12h，然后将其降到室温下，然后将沉淀用无水乙醇清洗后在60℃的干燥箱中干燥8h

2．3．复合相变材料的制备

复合相变材料的制备过程如图1所示。

在80℃的条件下将2g的硬脂酸溶解在50ml甲苯中，然后将（0.25g，0.5g，1g和2g）的量分别加入到溶液中。将得到的混合溶液在150W功率下超声30min后得到均匀分散的纳米粒子，然后将得到的混合物放在通风厨中130℃下将甲苯蒸发去除后放在模具中，最后将相变材料试样放在120℃的真空烤箱中干燥12h。

通过这种方法制备的SA/CNS样品是各向同性的，因为碳纳米球是没有优先取向的。相变材料的组成如表1所示。

图1 样品的制备示意图

表1 复合物的组成

2．4．分析方法

场发射扫描电子显微镜用来观察碳纳米球和复合相变材料的形貌特征；BET测试来表征碳纳米球的比表面积和孔的分布；利用透射电镜分析其形貌特征；DSC测试材料的相变温度和潜热性能；热重分析用来表征材料的热稳定性；利用滴点实验分析结构的稳定性；利用激光闪电技术来表征材料的热扩散率。

2．5．加速的热循环

SA/CNS复合的相变材料的热可靠性是通过一个加速的热循环系统进行了1000次的热循环来测试的，样品的热量储存和回复表现是通过记录整个循环过程的温度来进行的。

3．结果与讨论

3．1．碳纳米球的表征

碳纳米球的化学成分表征通过傅里叶光谱来进行，结果如图3所示。由于可知，主要的吸收带在3350cm-1处，这是O-H集团的拉伸震动吸收带；1735cm-1处是羧基或者羰基半个C=O半个功能团的拉伸吸收带；1620cm-1是C=C的拉伸吸收带；2823cm-1是脂肪族碳水化合物的-CH吸收带；1033cm-1和1320cm-1分别是C-OH的C-OH的拉伸运动和OH的弯曲运动吸收带；1361cm-1是-COO-的对称拉伸运动吸收带。由图4可知，合成出的碳纳米球的尺寸相对集中，大多数的尺寸分布在100到450nm。合成出的碳纳米球有规则的球形和粗糙的表面，BET测试表明比表面积威212m2/g，由图5可以知道碳纳米球孔的尺寸分布。

从图5可知，碳纳米球的孔尺寸主要分布在3到40nm之间，这也进一步说明了碳纳米球的孔尺寸分布的多样性。由图6为碳纳米球的透射电镜图，由图可知，碳纳米球的孔大部分都均匀的分布在碳基体中。图7是SA、CNSs和SA/CNSs复合相变材料的傅里叶光谱，由图可知，2915.04cm-1和2849.43cm-1处的是SA中的-CH2健的对称伸缩振动；1713cm-1处的峰是羧基集团拉伸振动的特征吸收峰；1470cm-1是-CH2的弯曲振动吸收峰，1415cm-1峰代表C—H和C—C弯曲，742cm-1和723cm-1是硬脂酸脂肪链的特征峰。PCM1的傅里叶光谱有SA所有的基本吸收峰而没有其他的变化，这说明硬脂酸和碳纳米球之间的功能团之间没有发生化学变化。

图3 碳纳米球的傅里叶光谱

图4 碳纳米球的颗粒尺寸分布

图5 碳纳米球的孔尺寸分布曲线

图6 碳纳米球的扫描电镜图

3．3．复合相变材料的形貌

图8为硬脂酸中不同含量的碳纳米球的扫描电镜图。从图8（a）中可以看出，用水热法制备出的碳纳米球大小均一。从图8（b）、（c）中可以看到白色的区域，这是未被碳纳米球吸附的多余的硬脂酸。从图8（d）、（e）可以看出硬脂酸被完全吸附到碳纳米球的空间中去。影响硬脂酸在复合相变材料中吸附量的一个重要因素是支撑材料的比表面积的大小。碳纳米球的比表面积有212m2/g，这要比普通的材料诸如膨胀石墨、活性炭大很多，因此在相变时硬脂酸可以很容易的被表面张力控制住从而避免硬脂酸从相变材料中泄露出来。制备出的SA/CNSs复合相变材料如图9所示。

图8 （a）碳纳米球（b）PCM1（c）PCM2（d）PCM3（e）PCM4的电镜照片

图9 SA/CNSs复合相变材料

3．4．SA/CNS复合相变材料的热力学性能

通过差示扫描量热法（DSC）来评估将复合材料在80℃保温一个小时的相变表现。从图10和11的DSC曲线可以看出硬脂酸和复合相变材料的熔融和凝固过程。

表2给出了特征相变温度的综述和在测试过程中基于测量热流计算的熵值。实验发现，当在复合相变材料中的熔点温度降低和沸点温度增加的时候硬脂酸和复合相变材料的相变温度非常接近。实验结果表明纯的硬脂酸的最高欠火温度是5.5摄氏度，而在PCM4中硬脂酸的最高欠火温度降到了0.2摄氏度。正因为如此，SA/CNS复合相变材料的熔点和它的凝固点基本接近，这表明在复合相变材料中出现了可以忽略不及的欠火温度。但是相比较纯的硬脂酸来说，复合材料低的相变温度可能是由于硬脂酸和碳纳米球内表面之间的相互作用和碳纳米球孔道对硬脂酸的限制作用。

此外，硬脂酸的热容非常大，超过180kJ/kg，特别的，熔化时为184.3kJ/kg、凝固时为189.2kJ/kg。熔化和凝固时热熔的微小差别可能是因为硬脂酸欠火温度范围太小。对于SA/CNS复合相变材料来说，硬脂酸的量影响复合材料的热容量，碳纳米球的量影响复合材料的热导率。而且，碳纳米球的吸附能力是一定的，因此确定硬脂酸和碳纳米球的最佳质量比是很有必要的。如表2所示，复合相变材料的相对误差结果表明PCM1的相对误差最高，这可能是因为在热处理过程中硬脂酸由于泄漏没被碳纳米球吸附所导致的，PCM2、PCM3、PCM4的相对误差小于2%，这在热能储存应用中是可以忽略不计的。

碳纳米球有均一的碳纳米球结构，这可以在一定程度上减少熔融硬脂酸的泄漏，从而增加复合相变材料的潜热性能。这里PCM1样品测得的最大潜热值是在热处理后没有任何泄漏得到的，这个值是硬脂酸的82.7%。

3．5．SA/CNSs复合相变材料的滴落点和液体成分

大多数被实际应用的相变材料都有高热容和最小损失的优点，但是它们也需要载体。热能储存系统的的效率在一定程度上受储存载体的影响，因为在能量储存系统中泄漏的问题同样会出现，通过使用多孔材料可以很好的解决这一问题，而且多孔材料的添加在一定程度上可以改善复合相变材料的热导性能。如表3所示，纯硬脂酸的滴落点是58摄氏度，当添加碳纳米球后滴落点数值迅速增加。硬脂酸和碳纳米球之间的毛细管力和表面张力可以很好的提高复合相变材料的结构稳定性。值得一提的是即使碳纳米球的含量是20wt%，复合材料的熔点可以保持到152.4摄氏度，这一温度应用在能量储存系统是绰绰有余了。

3．6．热稳定性

热稳定性是一个评价新型复合相变材料非常重要参数。图12是硬脂酸和制备出的结构稳定的相变材料的热重曲线。开始的和最大的重力损失温度如表4所示。硬脂酸在181.34摄氏度开始出现重力损失，并且最大重力损失量出现在245.20摄氏度处，最大重力损失是硬脂酸的蒸发导致的。

在加热的过程中硬脂酸首先冲破碳纳米球的孔道，然后从复合材料中蒸发出来。碳纳米球的多孔性质能够阻止已经吸附的硬脂酸在正常的沸点温度不流出来，从而增加了复合相变材料的降解温度。表4中的数据也表明具有更高含量的碳纳米球在更高的温度下会出现最大的重力损失。毫无疑问，把碳纳米球作为支撑材料复合相变材料有更好的稳定性。

3．7．热传导性

硬脂酸有很高的潜热，但是它的热传导性很差，这延迟了它对储能系统的热响应和对潜热的释放。因此，在设计复合相变材料时热传导性能的增强是很有必要的。在合成复合相变材料过程中加入热导性好的支撑材料可以很好的增加材料整体的热传导性能。材料的热扩散率通过激光闪电来进行测量，热导率通过下面的公式进行计算：

k＝alpha;bull;rho;bull;Cp （1）

式中k是热导率，单位是（W/（mbull;K））；

alpha;是热扩散率，单位是（m2/s）；

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[152481]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章