多孔夹芯复合体中孔基-芯体相变性能的协同/相干效应

Phase change material (PCM) is the core factor for the development of energy storage technology, plays a vital role in exploring new energy and improving energy utilization. Due to the present researches on PCMs strongly depend on the carrier, the development has been constrained. This project proposes a new design idea based on the synergy/coherence effect of the porous matrix and the core during phase change process. Starting with typical porous matrixes loading organics or inorganics, the phase change properties of heat storage and transfer under size effect as well as interface effect will be explored .The mathematical descriptions of the composite PCMs on heat transport and energy storage are to be revealed. The synergy/coherence factors drives the phase change process and property are to be extracted from the matrix topology, matrix-core interaction and the functional groups. The essential purpose of this project is to achieve a thermal demand-oriented material design instead of present "try and error" method.

相变材料是蓄热技术发展和应用的核心因素，在提高能源利用率和新能源开发利用中起着至关重要的作用。针对相变复合材料研发强烈依赖于载体而陷入瓶颈的现状，本项目提出基于多孔基体-芯体相变协同/相干效应的设计思路。拟以典型多孔基体负载有机、无机芯体的相变过程和蓄传热性能为出发点，尝试探究相关热参数（如比热、热导率、潜热、熔点等）在尺度效应下的相变传热、储热现象与特性，获得微纳米孔受限空间尺度效应和载体-芯材界面效应的耦合对相变蓄传热的作用规律，并有效提取载体拓扑结构、载体-芯体相互作用力及载体外加修饰基等参数中对相变过程、物性产生显著影响的协同/相干因子。项目的最根本意义在于突破了相变复合材料一贯的“载体先行试制备”的方式，从真正意义上去实现相变性能导向型的材料设计。

本项目按照预期目标，采用实验和分子动力学模拟相结合的方法，完成了金属有机骨架(Cr-MIL-101、UiO-66)、介孔二氧化硅(MCM-41)、碳基(介孔碳FDU-15、多级孔碳HPC、石墨烯泡沫GCNT)复合相变材料的实验制备、表征、物性测量及模拟分析，进一步探究了官能团对受限相变芯材负载、结晶相变行为及热物性的影响。获得微纳米孔隙空间效应、界面效应及耦合作用下的相变传输机理，探索了载体结构、孔道多层次尺度对相变体构象和相变物性的影响。同时明晰了相变材料结晶过程中的热特性以及结晶与受限空间的关系。提炼影响复合体相变性能的协同/相干因子，并结合多目标寻优(固载性好、储能密度大、熔点稳定、蓄放热效率高)提出极性匹配规律。搭建了复合材料蓄传热性能综合测试平台，验证并评估复合材料的实际应用性能。重要结论有：揭示了纳米网络孔道对相变芯材的准一维束缚效果，例如PEG分子链伸展角在MOF-5纳米孔中相较自由状态显著增大；明确了芯材熔点随尺度的依变关系，为调控相变温度提供了理论依据；获得了复合材料整体热导率的提升，归功于三维贯通的孔道结构使得芯材声子碰壁散射的概率大大减小，因而声子平均自由程增大，有效补偿了孔道尺度效应引发的热导率下降。重点针对仍有可能发生的载体与芯材失配，导致高孔隙率载体极低负载量、芯材不相变等问题，进一步提出复合相变材料强化性能的“异相异质极性匹配”的调控方法：借助界面物理化学作用力形成主/次价键力(如：共价键合、氢键作用)，以改善纳米孔道对芯材负载和结晶相变的限制；而且，修饰成键(如氢键)作为新增的界面热通道能进一步强化导热。成功制备了相变储能密度提升1倍以上，热导率提升近70%的三维连续网络化金属有机骨架定形相变材料。本项目拓展了纳米孔定形相变材料的模型和热设计体系，提供了可参考的匹配强化方法，推进了这一类材料组装的快速选配、有效改性、以及高固载-高焓值-高导热的协同强化。