纳米复合相变储热材料微观界面行为及性能调控机理研究

Development of high heat storage rate and high heat storage density nanocomposite phase change material (NCPCM) has become the research focus of latent heat storage. However, the internal structure, composition and interaction of NCPCM are very complicated, which results in the performance enhancement micro-mechanism is not clear, and there is no reliable performance regulation strategy. In order to solve this problem, in present project, the micro-interface behavior of NCPCM will be investigated to find out the interaction mechanism between nanomaterial and PCM and its influence on the thermal storage properties. Then the performance prediction model for NCPCM will be built and the micro-mechanism of performance enhancement will be revealed. Based on the results, the performance enhancement and regulation mechanism for NCPCM will be developed with both considering the heat storage rate and heat storage density. The main objectives of the present project are as follows: in theory, to reveal the micro-interface behavior and performance enhancement mechanism of NCPCM, and establish the potential function model and simulation method for the properties prediction of NCPCM; in application, to build NCPCM performance regulation mechanism, and develop high heat transfer power, high heat storage density NCPCM and latent heat storage technology; in discipline development, to further promote the developments of nano/microscale heat transfer, computational heat transfer and computational materials science, and facilitate the interdisciplinary research between Engineering Thermophysics and Materials.

开发高传输功率、高储热密度的纳米复合相变储热材料已成为相变储热领域的研究热点。然而，由于复合相变储热材料内部结构、成分、相互作用机制非常复杂，造成性能强化的微观机理不清晰，缺乏可靠的性能调控机制。为解决这一问题，本项目从纳米复合相变材料内部的微观界面行为入手，查明纳米材料与相变材料的相互作用机制及其对储热性能的影响；构建复合相变材料性能预测模型，揭示性能强化的微观机理；建立综合考虑储热速率和储热密度的纳米复合相变材料性能强化及调控机制。以期通过本项目的研究，在理论上揭示纳米材料和相变材料之间的微观界面行为及性能强化微观机理，建立用于纳米复合相变材料性能预测的势能函数模型及模拟方法；在应用上，构建纳米复合相变材料性能调控机制，开发高传输功率、高储热密度的纳米复合相变储热材料及储热技术；在学科发展上，进一步促进微纳尺度传热学、计算传热学、计算材料学的发展，推动工程热物理学科与材料学科的交叉合作。

高储热密度、高传输功率的复合相变储热材料是实现热量高效存储和电子器件精确控温的迫切需求。然而，复合相变储热材料内微观作用机制复杂，造成性能强化机理尚不清晰，缺乏可靠的性能调控机制。本项目从纳米复合相变材料内部的微观界面行为入手，以期查明纳米材料与相变材料间的相互作用机制及其对储热性能的影响规律，构建复合相变材料性能预测模型，揭示性能强化微观机理，建立综合考虑储热速率和储热密度的复合相变材料性能强化及调控机制。经过为期4年的研究，圆满地完成了预定研究任务，全面达到了预期研究目标。理论方面，证明了纳米材料和相变材料之间存在复杂的势能作用，会在纳米材料和相变材料界面附近产生纳米层，纳米层内粒子呈现紧密排布，可有效降低局部声子散射和总体势能，是导热系数强化和熔化焓降低的内在机理；且相互作用越强、纳米层厚度越厚，相应的传热性能越优；构建了描述相变材料和纳米材料之间力场特性的势能函数模型，验证了模型预测结果的可靠性和准确度。应用方面，开发了1套用于预测纳米复合相变材料热物性的分子动力学模拟方法，可用于材料的熔点、熔化焓、导热系数、密度、粘度、比热容等的预测分析；提出了通过纳米材料表面修饰强化局部势能作用和促进纳米材料在相变材料内有序分布的纳米复合相变材料性能调控方法；制备了多种复合相变储热材料，设计了兼顾储热速率、储热密度的相变储热材料及储热单元，并在太阳能储热、余热回收利用、光伏电池控温、动力电池热管理等领域得到成功应用。截止目前已发SCI收录期刊论文16篇（全部为第一标注），其中14篇发表于JCR 1区期刊，1篇发表于国内核心期刊。作会议特邀报告1次，授权发明专利2项；获陕西省自然科学一等奖1项。