摘 要

相变材料可以在相变过程中储存/释放能量，在建筑节能、工业废热余热利用和太阳能利用、电子元器件热保护等诸多领域都拥有广泛的应用前景。目前低温和高温使用范围的相变材料研究较多，中温使用范围的有机相变材料相对较少。己二酸的相变潜热高，熔点152℃。本研究选择己二酸作为相变材料，针对其热导率差、相变过程中易产生液体而发生泄漏的缺点，选择比表面积大的多孔纳米二氧化硅作为导热增强相，制备己二酸/纳米二氧化硅复合相变材料，并通过TG-DSC、FT-IR等测试方法对其热性能和热循环稳定性进行测试，研究纳米二氧化硅对己二酸相变材料导热性能的影响。

研究结果表明，掺入少量的纳米二氧化硅能在保持复合材料高相变焓的同时，极大增强复合材料的热导率。当纳米二氧化硅掺量为0.5wt.%-2.0wt.%时，复合材料的导热系数都有所提高，且在二氧化硅掺量为1.5wt.%时热导率最大值1.45（W/m·K），为纯己二酸的3.21倍。对纯己二酸和己二酸/1.5wt.%纳米二氧化硅复合相变材料进行1000次热循环后发现，纯己二酸的熔化焓和凝固焓无明显变化，但复合相变材料的相变焓随热循环次数增加而逐渐减少，说明热循环对该复合相变材料的热性能有一定影响。

关键词：己二酸；纳米二氧化硅；相变材料；热循环

Abstract

Phase change materials can store/release energy during the phase change process, and have broad application prospects in many fields such as building energy conservation, industrial waste heat utilization and solar energy utilization, and electronic component thermal protection. At present, there are many phase change materials in the low temperature and high temperature use range, and there are relatively few organic phase change materials in the medium temperature range. Adipic acid has a high latent heat of phase change, melting point of 152 ° C. In this study, adipic acid was chosen as the phase change material, and the porous nano-silica with large specific surface area was selected as the thermally conductive enhancement phase for the disadvantages of poor thermal conductivity and leakage in the phase change process. Preparation of adipic acid/nano-silica composite phase change materials, and testing their thermal properties and thermal cycling stability by TG-DSC, FT-IR and other test methods to study the phase transition of nano silica to adipic acid The effect of the thermal conductivity of the material.

The experimental results show that the incorporation of a small amount of nano-silica can greatly enhance the thermal conductivity of the composite while maintaining the high phase transition of the composite. When the nano-silica content is 0.5wt.%-2.0wt.%, the thermal conductivity of the composite material is improved, and the thermal conductivity maximum is 1.446 (W/m·K)) when the silica content is 1.5wt.%., which is 3.21 times that of pure adipic acid. After 1000 cycles of pure adipic acid and adipic acid/1.5wt.% nano-silica composite phase change material, it was found that the melting enthalpy and solidified enthalpy of pure adipic acid did not change significantly, but the phase of composite phase change material The enthalpy decreases with the increase of the number of thermal cycles, indicating that the thermal cycle has a certain influence on the thermal properties of the composite phase change material.

Key Words：Adipic acid; nano-silica; phase change material; thermal cycle

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 复合相变储热材料 1

1.3 复合相变储热材料的制备方法 2

1.3.1 溶胶-凝胶法 2

1.3.2 熔融共混法 3

1.3.3 原位聚合法 3

1.4 复合相变储热材料的应用 4

1.4.1 建筑节能 4

1.4.2 废热余热利用 4

1.4.3 太阳能利用 5

1.5 选题意义和研究内容 5

1.5.1 选题意义 5

1.5.2 研究内容 5

第2章 己二酸/纳米二氧化硅复合相变储热材料的制备 7

2.1 实验原料 7

2.1.1 相变材料的选择 7

2.1.2 基体材料的选择 7

2.2 实验过程 8

2.2.1 己二酸/纳米二氧化硅和己二酸/纳米氧化镁的制备 8

2.2.2 热循环过程 8

2.3 样品的测试与表征 9

第3章 复合相变材料的性能研究 10

3.1 导热分析 10

3.1.1 己二酸/纳米二氧化硅的导热分析 10

3.1.2 己二酸/纳米氧化镁的导热及热容分析 10

3.2 FT-IR分析 11

3.2.1 纯己二酸的FT-IR分析 11

3.2.2 己二酸/纳米二氧化硅的FT-IR分析 12

3.2.3 己二酸/纳米氧化镁的FT-IR分析 13

3.3 TG分析 14

3.4 DSC分析 15

3.4.1 纯己二酸热循环前后的DSC分析 15

3.4.2 己二酸/1.5wt.%纳米二氧化硅热循环前后的DSC分析 16

3.4.2 己二酸/1.5wt.%纳米氧化镁热循环前后的DSC分析 18

3.5 本章小结 19

第4章 结论 20

参考文献 21

致 谢 23

第1章 绪论

1.1 研究背景

随着工业全球化程度的持续发展，能源消耗不断增加，能源生产与需求之间的差距越来越大。化石能源的不可再生性以及清洁能源的低利用率使人们越来越关注节能和高效能源的使用，因此储能技术的发展受到人们越来越多的重视。

储能技术是提高能源利用效率和可靠性的重要手段，尤其在解决清洁能源利用在时间与空间上不匹配的问题中扮演着重要的角色。储热技术不但能回收工业余热以减少生产能耗，还能高效地吸收利用太阳能、地热能等清洁能源，降低化石能源使用的负担^[1]，在储能技术中具有很大的潜力。储热技术一般分为显热储能、潜热储能和热化学储能^[2]，与显热储能相比，潜热储能具有较高的能量密度和较稳定的储放热温度^[3]，优良的储热性能和显著的节能效果使其广泛应用于军事、建筑、纺织、工业余热废热利用、航空航天等领域。

储能材料是储能技术的关键，相变储能因其具有储能密度高、储能量大、相变过程中温度保持恒定等优点而被广泛关注。相变材料是指随温度变化而改变物质状态并能提供潜热的物质。转变物理状态（固-固、固-液、固-气、液-气等）的过程称为相变过程，这时相变材料将吸收或释放大量的潜热。相变储热材料应满足的主要条件有：适宜的相变温度；能一致熔融；相变速度快；热导率高；热膨胀系数小；过冷度低；能反复使用等^[4]。由于固-固相变的相变焓过低，固-气和液-气相变过程中产生气体而导致体积变化过大的缺点，固-液相变成为学者们研究的重点。相变材料按组成成分分为无机相变材料、有机相变材料和复合相变材料三大类，目前的大多数无机相变储能材料具有腐蚀性且相变过程中容易出现相分离和过冷现象，从而影响其储放热能力。有机相变储能材料因其腐蚀性小、过冷度低，不容易出现相分离现象而受到了广泛的关注，但由于其热导率低、传热速度较慢，也很难直接投入使用^[5]。为了保留二者各自的优点，又能尽量克服其缺点，复合相变储热材料得到了学者们更广泛的研究和关注。

1.2 复合相变储热材料

复合材料是指由两种或两种以上具有不同物理化学性质的物质组合而成的材料，它是材料发展的必经之路。目前的复合相变储热材料主要是指由相变材料和基体材料复合而成，且相变过程中形状和体积基本保持不变的储热材料。其中相变材料是通过相变来完成储放热过程，也是复合材料的核心物质，脂肪酸类相变材料来源广泛，廉价易得，具有共熔和共结晶的特点，且相变焓较高，因而使用较多。但为了克服其热导率低、传热性能差、相变时出现液体而导致泄漏等缺点，需要对相变材料进行封装定型。因此基体材料的作用是保证相变材料在固-液相变过程中整体形状结构不发生太大的变化，从而保持其原有的性能，同时能在一定程度上提高复合材料的热导率。目前应用较多的基体材料有膨胀石墨、金属、二氧化硅、石墨烯、碳纳米管等。

近年来，有机相变材料与无机基体材料进行复合形成的复合相变储热材料成为许多学者研究的热点，它能有效克服有机材料存在的传热性能差、相变时出现液体导致体积变化且易发生泄漏、有可燃性等问题。在复合相变储热材料中，将不同的有机相变材料和无机基体材料复合，可以获得不同的优良性能。如蒙脱土的纳米片层结构使复合材料的机械强度显著增加，且片层的表面张力和毛细作用能有效克服相变材料在相变过程中产生液体发生泄漏的问题^[6]；如膨胀石墨疏松多孔蠕虫状结构和较高的导热系数可以明显提高复合材料的储能密度和导热性能^[7]。