新型多孔碳基复合相变储能材料的结构与热性能构效关系研究

In recent years, preparation and development of high-performance phase change materials has become hot research topic in latent heat storage fields. Activated carbon fibers with different activated pore shapes and sizes will be used as porous carbon support in this project. The paraffin wax of organic phase change material will be filled in activated carbon fibers to obtain composite phase change materials with good shape stable. Calorimetry and thermal analysis methods will be applied to measure the performance parameters of phase-transition temperature, phase-transition enthalpy and entropy, specific heat and thermal conductivity, etc. The effects of component-matching contents and structural difference of porous carbon support on the shape-stability and integrated thermal performance will be studied in detail. Statistic thermodynamics and quantum mechanics methods will be applied to establish the relationship between the content radio, microstructure of porous carbon support and integrated thermal performance through develop mathematical models. Furthermore, we will study the regularity of porous structure and performance in theory using the statistic thermodynamics and quantum mechanics methods, and reveal the essential affects of porous carbon playing in the composite phase change materials, and finally illuminate the structure-function relationship between the structure transformation and heat storage performance. Through the implementation of this application, it will establish the theoretical foundation for the practicality of new high-performance phase change materials.

近年来，高性能相变材料的制备与研发成为潜热储能领域的热点研究课题。本项目以具有不同活化孔形状和大小的活性碳纤维做为多孔碳支撑体，将石蜡类有机相变物填充在活性碳纤维材料中，以获得具有良好定形的复合相变储能材料。利用量热学和热分析等方法测定相变温度、相变焓、相变熵，比热和热导率等性能参数，详细研究组分匹配含量和多孔碳支撑体的结构差异对复合相变材料的定形和综合热性能的影响。利用统计热力学和量子力学等理论方法，通过建立数学模型，探讨复合相变材料中多孔碳支撑体的含量比例、微观结构与综合热性能的关联性，并从理论上研究多孔结构与储热性能之间的内在规律，揭示多孔碳在复合相变材料中发挥的本质作用，从而阐明其结构转变与储热性能之间的构效关系，为新型高性能相变储能材料的实用化奠定理论基础。

相变储能材料因其独特的功能作用和广阔的发展前景备受重视，高性能相变储能材料的制备与研发一直是能源研究领域的热点课题。本项目针对有机相变化合物导热性差和易泄露等缺陷，提出在有机相变化合物中引入多孔碳支撑体，设计和开发综合热性能高的多孔碳质复合相变储能材料体系的思路。通过本项目的实施，我们得到如下结论：1）通过前期研究，筛选得到最有利于保证复合相变储能材料综合性能的多孔碳支撑体结构，即高导热活化的微米级CF和纳米级CNTs。因为二者的微观结构优势，少量添加即可有效提高有机相变化合物的热性能，对于开发新型复合相变储能材料体系的研究意义重大。2）研制开发了以CF为支撑体的系列复合相变储能材料，所得相变潜热与基体相变化合物相比，降低程度都在20%以内，导热性能却都得到大幅度提高，且热稳定性好。该系列复合相变材料的研究为多孔碳质复合相变储能材料体系的开发和应用，奠定了重要的理论基础。3）引入CNTs于石蜡等有机化合物中，并同时实现两种基体或两种碳材料复合的方式，形成多元复合相变储能材料体系。研究结果证实了多元复合不仅可以提高复合相变材料的导热性，还可以保持甚至增加复合相变材料的潜热。该项研究为多元复合相变储能材料的开发和在保温节能材料领域的应用提供了重要的理论和技术支持。