摘要
相变蓄热技术具有高能量存储密度、稳定的温度特性以及环境友好性等优点，为解决可再生能源供需不均问题提供了新的可能性，因此受到了广泛的关注和重视。其中，由于十二水硫酸铝铵具有高潜热能力、稳定的物理化学性质以及合适的相变温度，并且无相分离现象，在众多可应用于建筑供热领域的相变材料中脱颖而出。然而，它存在高过冷度、低导热系数以及熔融状态为液体等问题，限制了在实际中的应用。在现有的研究中，能够消除十二水硫酸铝铵过冷度成核剂很少，并且在提高十二水硫酸铝铵导热系数的同时保持相变潜热基本不变的研究也很少。膨胀石墨作为十二水硫酸铝铵的搭载材料，既可以提高导热系数，还能阻止泄漏。目前关于不同粒径的膨胀石墨吸附相变材料的能力以及提高相变材料导热系数能力方面是否有差异的研究较少。 为了解决以上问题，本文提出一种利用不同粒径膨胀石墨作为支撑材料的新型碳基复合定型相变材料。首先筛选文献中对含有十二水硫酸铝铵成分的材料过冷度改善最优的成核剂，通过添加不同质量分数的成核剂制备出复合相变材料。然后对不同样本的各项性能进行分析，优选出性能最佳的复合相变材料。最后将其分别吸附到两种不同粒径的膨胀石墨，从而得到两种新型碳基复合定型相变材料。 首先，本研究优选出硼砂（B）、氢氧化钙（CH）、二水氯化钙（Ccd）作为改善十二水硫酸铝铵过冷度的成核剂。利用水浴加热法、磁力搅拌法及熔融浸渍法制备出无过冷度的高性能复合相变材料。通过对复合相变材料进行步冷曲线测试、热稳定性测试、导热系数测试与晶体结构测试筛选出表现最优的样本。研究结果表明，添加3wt%的CH并混合0.5wt%黄原胶的样本（CHX-3.0）表现最优。步冷曲线测试结果表明样本CHX-3.0过冷度消除且凝固温度为80℃，释热平台期达71.95min；差示扫描量热法（DSC）测试结果显示样本CHX-3.0的潜热达276.34J/g，比纯十二水硫酸铝铵的潜热（293.25J/g）仅降低5.77%；导热系数测试结果表明样本CHX-3.0的导热系数由0.5272W/（m·K）提高到0.5858W/（m·K），提高11.11%；X射线衍射（XRD）结果表明各成核剂之间与十二水硫酸铝铵具有很好的化学相容性。因此，优选出的样本CHX-3.0可以作为导热系数提高与泄漏研究的基体相变材料。 其次，通过高温膨胀法制备出膨胀石墨后，采用水浴加热法、熔融浸渍法及真空浸渍法将不同比例的基体相变材料浸渍在膨胀石墨的微孔中。通过扫描电子显微镜（SEM）观察发现，50目膨胀石墨的孔结构比200目膨胀石墨的孔结构更规律。泄漏测试表明，样本中基体相变材料与50目膨胀石墨的搭载比例为27∶1（EG（50目）/CHX-3.0）时刚好无结晶水渗出，基体相变材料与200目膨胀石墨的搭载比例为22∶1（EG（200目）/CHX-3.0）时刚好无结晶水渗出； 最后，将优选出的两个样本进行各项性能测试研究。DSC测试结果显示样本EG（50目）/CHX-3.0相变潜热为264.22J/g，样本EG（200目）/CHX-3.0相变潜热为245J/g；导热系数测试结果表明样本EG（50目）/CHX-3.0导热系数提高至1.943W/（m·K），相比于纯十二水硫酸铝铵导热系数提高2.69倍，样本EG（200目）/CHX-3.0导热系数提高至2.377W/（m·K），提高3.51倍；热重分析（TG）测试结果显示样本EG（50目）/CHX-3.0阻碍结晶水蒸发率比样本CHX-3.0提高17.77%，样本EG（50目）/CHX-3.0提高17.16%；样本EG（50目）/CHX-3.0的蓄热效率相比于纯十二水硫酸铝铵提高17.46%，样本EG（200目）/CHX-3.0的蓄热效率相比于纯十二水硫酸铝铵提高46%；两个样本在循环200次过程中过冷度基本保持在5℃以内，证明循环次数对样本的过冷度影响不大；样本EG（50目）/CHX-3.0经过400次高低温循环后潜热仍达260.60J/g，仅降低1.4%，经过600次高低温循环后，相变潜热为253.81J/g；样本EG（50目）/CHX-3.0经过400次高低温循环后潜热达225.05J/g，仅降低8.14%，经过600次高低温循环后相变潜热为210.84J/g。 本文研制的两种新型碳基复合定型相变材料具有很好的热稳定性，可以满足相变材料在实际应用中的要求。提供了一种绿色、高效的供暖技术，为实现能源节约、环境保护和人类舒适性提供有效的解决方案。
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