面向太阳能储热的多孔介质限域纳米水合熔盐相变材料热物理性能研究

针对当前无机水合盐及其共晶盐作为相变储能材料存在严重过冷度和相分离两大难题，申请人提出制备出高孔隙率的三维网状多孔介质作为基体，与经过高热导率纳米粒子分散稳定的协调型熔融共晶水合盐复合，以期研究出具有优良的热循环稳定性和高储能密度、高热导率的多孔纳米水合熔盐相变储能材料。项目将以多孔介质纳米复合水合熔盐相变材料制备及储热和导热机理研究为主线，借助表面测量手段或分形理论对三维网状多孔结构进行观察和表征，分析多孔介质以及纳米水合熔盐两者的制备及其关键影响因素；结合材料学、热力学、传热传质学等理论，深入研究多孔介质限域作用下以纳米粒子为核心的熔融共晶水合盐成核结晶机理；在此基础上，开展面向太阳能储热的多孔介质纳米复合水合熔盐相变材料储热、导热机理和热稳定性研究工作，为水合盐类相变储能材料在工业领域应用特别是太阳能储热方面提供理论依据和可靠的工程指导。

大多数无机水合盐及其共晶盐作为相变储能材料存在严重过冷和相分离两大难题。本项目采用了纳米介质分散、多孔介质限域和微胶囊包封等多种手段来降低无机水合盐的过冷度，克服其相分离，并对其作为相变储能材料的热物理性能进行测试研究。项目以冰醋酸和高氯酸作为插层剂和氧化剂，对天然鳞片石墨进行插层处理、微波膨胀和超声剥离，制备出膨胀石墨和纳米石墨片；选用膨胀石墨、碳海绵等多孔介质与水合盐进行复合浸渗，制备出多孔基复合相变储能材料；利用尿素与甲醛单体交联反应，生成的脲醛树脂（UF resin）作为囊壁材料，以Na2HPO4•12H2O作为芯材，运用原位聚合法合成DSP@UF resin微胶囊相变材料；采用第二单体丙烯酸乙酯（EA）与第一单体甲基丙烯酸甲酯（MMA）进行交联反应，生成的改性高分子聚合物聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）作为微胶囊的囊壁材料，以Na2HPO4•12H2O作为芯材，运用溶剂挥发法合成DSP@PMMA微胶囊相变材料；通过各种手段和方法，对上述复合相变储能材料进行表征及热物性测试。主要研究结果表明：纳米石墨片均匀分散在水合盐中能有效提高水合盐的导热性能并降低其过冷度；多孔材料限域和微胶囊的包封对Na2HPO4•12H2O都能有效降低其过冷度；由于强烈的界面相互作用和制备过程中温度的变化，水合盐的结晶水发生变化，致使DSP@PMMA和DSP@UF resin两种微胶囊相变储能材料的相变温度比纯芯材水合盐的相变温度有所升高。