SiC纳米线/硅藻土复合载体提升相变储能材料综合性能的基础研究

This project aims at tackling the outstanding issues such as low loading capacity and low thermal conductivity, faced by organic phase change materials (PCMs) in energy saving and storaging diatomite-based construction materials. Diatomite and carbohydrate will be chosen as main raw materials, so that SiC nanowires can controllably grow on the surface and in the inner cavities of diatomite particles in carbothermal reduction method. Thus composite phase change energy-storaging materials can be prepared with the obtained materials as host materials to load binary PCMs such as paraffin/stearic acid. And the study wll be focused on control over SiC nanowires growth as well as morphology of diatomite particles during carbothermic reduction processes. Besides, after the preparation of composite phase change energy storage materials by loading organic PCMs on SiC nanowires/diatomite host, the impact of material composition and structure on its comprehensive thermodynamic behavior will be studied. Moreover, research contents wll also include following aspects, such as mechanism of regulation on controllable growth of SiC nanowires on the surface and in the inner cavities of diatomite particles in carbothermal reduction method, mechanism of morphology control over diatomite particles, analysis on thermodynamic behavior, and mechanisms of thermal conducting and adsorption of composite PCMs. Researches in this project will be of great significance to realize energy conservation, emission reduction and low carbonization of construction and also high technicalization of construction materials in China.

项目拟解决硅藻土基建筑节能相变储能材料中有机相变材料负载量低、导热率低的突出问题。以硅藻土和有机糖类为主要原料，通过碳热还原法在硅藻土颗粒表面及孔道内部可控生长SiC纳米线，并以此作为载体主要负载石蜡\硬脂酸等二元有机相变材料，制备复合相变储能材料。主要研究硅藻土碳热还原过程中SiC纳米线生长控制和硅藻土颗粒形貌控制问题；SiC纳米线/硅藻土复合载体负载有机相变材料形成复合相变储能材料后，材料的组分、结构等对其综合热学性能的影响问题。揭示碳热还原法在硅藻土颗粒表面和孔部可控生长SiC纳米线的调控机理；阐明硅藻土颗粒的形貌控制机制；进行复合相变储能材料的热学性能分析、导热机理和吸附机理等研究。项目的成果将对我国建筑的节能、减排、低碳及建筑材料高技术化具有重大意义。

项目以利用太阳能清洁能源降低建筑能耗为背景，采用SiC纳米线解决有机相变材料负载量低和导热率低的突出问题。研究首先以硅藻土和有机糖类为主要原料，通过改变多种碳热还原条件，拟在硅藻土颗粒表面及孔道内部可控生长SiC纳米线；研究发现：碳热还原条件中， Si/C比例，反应温度和催化剂种类都会影响产物的物相组成和形貌，而反应气氛条件对于产物的影响非常小；结果表明：1550℃催化剂为Ni(NO3)2时，碳热还原反应后产物能够基本保留硅藻土的颗粒形貌，且表面存在SiC纤维，但是其作为复合相变储能材料载体的性能还有待提升。其次，以石蜡/月桂酸、石蜡/硬脂酸、液体石蜡/十八烷和固体石蜡/十八烷等为二元相变储能材料研究对象进行了混溶性及储放热性能研究，结果表明：石蜡/月桂酸的相变焓可以达到213.4J/g，基本能够满足建筑节能的使用要求，但其中固体石蜡/十八烷综合性能最为优异，其吸放热区间非常适合建筑节能领域使用。最后，针对SiC纳米线对于有机相变储能材料的性能提升作用的研究重点，结合前述研究结果，以石墨纤维织布/SiC纳米线负载有机相变储能材料后，研究了其综合性能；该研究部分使用了类似CVD方法，有效的通过V-S机制在石墨纤维织布表面和内部可控生长出了大量SiC纳米线，以此为载体负载有机相变材料制备出了复合相变储能材料；结果表明：该载体能够有效提升有机相变储能材料的导热率，提升率约为400%，同时负载量也相当可观，达到了83.91%，此外，该材料的光热转换效率可以达到83.72%；说明SiC纳米线能够有效提升有机相变储能材料的综合性能。为了进一步验证多孔SiC作为载体使用时对于有机相变储能材料的性能的影响，研究还采用聚碳硅烷作为原料，通过有机合成烧结法，低温制备出了多孔SiC；结果表明多孔SiC材料能够大幅度提高有机相变储能材料的导热率。项目成果将对我国建筑的节能、减排、低碳及建筑材料高技术化具有重大意义。