摘要
能源是人类赖以生存的物质基础，是经济社会不断进步的发动机，然而，传统化石能源的过快消耗给人类带来了能源和环境双重危机，开发可再生能源和提高能源利用效率是解决上述危机的必由之路。相变材料能够以潜热的方式高效存储热能，是加强可再生能源开发和提高能源利用效率的关键材料，在余热回收、建筑节能、太阳能光热应用、电子元器件热管理等方面有着广泛的应用价值。但是，相变材料自身存在着泄露、热导率低和光热转化效率低的问题，极大地限制了其大规模应用。为解决相变材料应用过程的几大瓶颈问题，本文旨在通过载体对相变材料进行封装，缓解其泄露问题，重点通过表/界面改性技术提高相变复合材料的热导率和光热转化效率，并揭开材料性能提高背后的内在机理。 首先，以石蜡（PW）为相变材料，硅藻土（DT）为载体，通过原位还原沉积的的方法，使铜纳米粒子（CuNPs）原位沉积到载体的表面和孔隙中，制备具有高热导率的硅藻土/铜复合载体，随后利用改性后的载体吸附熔融状态的石蜡制备石蜡/硅藻土/铜纳米粒子相变复合材料。通过对载体的形貌、结构分析，相变复合材料各组分间化学相容性和热物性测试，系统研究了导热材料CuNPs对复合材料导热能力和储热特性的影响，结果表明，相变复合材料各组分间不发生反应，具有很好的化学相容性，同时，它们还具有良好的热稳定性与热可靠性，在其工作温度范围（50℃左右）内不会发生泄漏以及较高的潜热值（95.5J/g）。最重要的是相变复合材料具有0.561W/mK的热导率，比纯PW和PW/DT分别高出97.5%和32.9%。 由于载体与导热材料间的吸附力有限，传统的原位还原沉积法只能使少量的导热材料沉积到载体上，大部分沉积到了烧杯底部，沉积效率比较低，未吸附在载体上或者仅仅是通过物理相互作用吸附在载体上的CuNPs与载体之间产生了很大的界面热阻，阻碍了相变复合材料导热性能的进一步提升。此外，相变材料的光热转化效率低也限制了其在太阳能利用领域的应用。为进一步提升相变复合材料整体导热能力和光热转化效率，本论文又以聚乙二醇（PEG）为相变材料，氮化硼（BN）为载体，并利用聚多巴胺（PDA）对载体进行化学修饰，通过配位化学的原理提升原位还原沉积技术的效率，最终在载体表面成功沉积了具有珊瑚状的、多层紧密堆积的CuNPs连续导热微纳结构，同时，载体和导热粒子以聚多巴胺为中介，通过化学键连接的方式结合，进一步减小了载体与导热粒子以及导热粒子自身之间的界面热阻，构建的连续导热网络提高了声子传导效率，因此相变复合材料整体导热能力显著增强。通过对载体改性前后的形貌结构，化学相容性及热物性进行分析，结果显示，PEG/BN/PDA/Cu的热导率高达5.741W/mK，分别比聚乙二醇（PEG）和未经聚多巴胺修饰的样品提高了1788.4%和39.7%；另外，形貌分析和DSC测试共同表明，CuNPs在载体表面连续均匀分布，同时增加了相变分子在载体表面的吸附位点和成核位点，进一步提高了相变材料的储热效率（14.0J/g），降低了过冷（3.7℃）；傅里叶红外光谱测试、XRD测试验证了相变复合材料各组分之间具有良好的化学相容性；泄漏试验、热重分析以及循环试验证实了相变复合材料优秀的防泄漏性能，热稳定性和热可靠性。令人意外的是，高导热能力和载体表面大量分布的光热转换基元（CuNPs）促使PEG/BN/PDA/Cu展现出93.3%的光热转换效率，此外，利用塞贝克效应，使用热电发电机将经过光-热转换的热量用于发电时，能够稳定输出最高62mA左右的电流，证实了其在太阳能光热应用领域的潜力。总之，报道的导热/光热增强型相变复合材料的综合性能优异，在热管理和太阳能利用领域具有较好的应用前景。
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