石墨基定形熔盐相变双效界面的构建及其热传递性能研究

Molten Salt based Phase Change Materials (MS-PCM) as the promising medium- and high- temperature thermal storage materials are difficult to package and subject to the low heat transfer rate during phase change. Non-wetting interface of graphite and most high-thermal conductive carbon materials restricts their capabilities for MS-PCM stabilizing and heat transfer enhancement. Therefore, this research project intends to controlled deposit phase change inducing particles on graphite through a Molten Salt Droplet Enhanced Heterogeneous Nucleation (MSEHN), by which to modify the structure of graphite and building up a dual-efficient interface on graphite for stabilizing MS-PCM. Firstly, an interface is built by revealing the MSEHN influence on graphite modified structure, clarifying the intrinsic relationship between graphite modified structure and interfacial wettability, and getting the interface regulated mechanism for stabilizing; Secondly, the synergic effects of the controlled deposit phase change inducing particles on the interface is obtained by characterizing the thermal effect of modified graphite under different wetting interface and revealing the interfacial controlled heat transfer law combined with molecular dynamics simulation. This project will not only serve as a new idea for the structural design of composite MS-PCM, but also provide a basis for the development and application of more efficient energy materials.

熔盐相变材料在中高温储热领域应用前景广阔，但存在难封装和相变换热速率慢的问题。界面不润湿制约了石墨等高导热碳材料对熔盐相变材料的定形作用和强化换热功能。对此，本项目拟通过熔盐液滴强化非均相成核，在石墨表面可控沉积相变诱导颗粒，改性石墨表面结构。并与相变熔盐复合，构建石墨基定形熔盐相变协同提高熔盐相变速率的双效界面。首先，通过揭示熔盐液滴强化非均相成核对改性石墨表面结构的影响规律，理清改性后石墨与相变熔盐液相界面润湿性的内在关系，阐明界面结构调控定形作用机制，构建石墨基定形熔盐相变界面；其次，通过表征改性后石墨的导热系数及熔盐不同润湿界面下的热效应，结合分子动力学软件建立界面热传递模型，揭示界面结构调控下的热传递规律，阐明石墨表面可控沉积相变诱导颗粒对定形熔盐相变界面的协同增效作用。项目的实施不仅为复合熔盐相变储热材料的结构设计提供了新思路，还为高效的能源材料开发和应用提供了研究基础。

针对熔盐相变材料储热应用中的难封装和相变换热速率慢的问题，深入研究了熔盐相变材料的熔体结构与热物性的相关性。通过建立基于Born的势函数模型,解析了碳酸熔盐熔体的分子结构，测定了不同熔体结构组成下的相变潜热，并与熔体结构的扩散活化仿真进行关联，揭示了扩散活化能主导的相变潜热的规律性。获得了不同温度下熔体结构的演变规律，建立了熔盐相变潜热与结构组成的量化关系。其次，围绕熔盐相变材料的热力学参数的获得，建立其热力学性质对固相颗粒添加体系的相容性预测准则，实现了熔盐与固相颗粒互配体系的筛选；在此基础上，通过非均相形核反应，实现了石墨表面的氧化物沉积改性，改善了石墨改性的分散性差导致的团聚问题。提出了利用熔盐液相与固相颗粒间的毛细收缩实现定形微封装，协同提高相变热传递的思路，以此构建定形熔盐相变界面。通过研究熔盐在不同受限空间内的相变热物性，探讨不同界面结构的影响规律。建立了定形熔盐的界面润湿性模型，研究熔盐受限空间内的相变结晶动力学，实验验证了界面结构调控下熔盐受限空间内相变的诱导作用，实现界面结构调控的定型熔盐相变材料的协同导热有效提升5~6倍。测定了定形熔盐相变材料的储/释热特性曲线，通过焓法模型仿真定形熔盐相变储/释热，探讨材料热物性和装置储/释热过程的耦合。本项目致力于解决熔盐相变储热利用的腐蚀和换热慢的问题，为熔盐相变微封装提供新途径，也为高温熔盐储热材料规模化应用奠定基础。同时本项目通过多学科的协同创新和跨尺度研究方法，有力的促进了储热应用的工程技术更新和系统优化集成，为发展高效储热技术解决能源和环境共性问题积累经验。