论文总字数：20009字

目 录

第一章 前言 6

1.1相变储能材料 6

1.1.1相变储能材料的分类 6

1.1.2相变储能材料的应用 7

1.1.3相变储能材料的研究现状 8

1.2凹凸棒石的结构与性质 8

1.2.1凹凸棒石的结构 8

1.2.2凹凸棒石的性质 8

1.2.3凹凸棒石的应用 9

1.3研究目标及主要内容 9

第二章实验方法 10

2.1实验材料及设备 10

2.2实验过程 10

2.2.1实验样品的制备 10

2.2.2凹凸棒石泡沫材料/石蜡复合材料储热性能实验 10

2.3性能表征 11

2.3.1参比温度法（T-history法） 11

2.3.2 DSC热分析 13

2.3.3形貌分析 14

2.3.4导热性能测试 14

2.3.5渗漏测试 15

第三章 泡沫凹凸棒石/石蜡复合材料的制备 16

3.1结构与形貌分析 16

3.1.1泡沫凹凸棒石的结构与形貌 16

3.1.2泡沫凹凸棒石/石蜡复合材料形貌特征 18

3.2相变剂吸附 18

3.3渗漏分析 19

第四章 泡沫凹凸棒石/石蜡复合材料的储热性能 20

4.1降温曲线及潜热分析 20

4.1.1泡沫凹凸棒石材料的降温曲线 20

4.1.2泡沫凹凸棒石/石蜡复合材料的降温曲线以及潜热的计算 20

4.2导热率 22

4.2.1凹凸棒石泡沫材料的热导率 22

4.2.2泡沫凹凸棒石/石蜡复合材料的热导率 23

4.3DSC分析 24

第五章结论 25

参考文献 26

致谢 28

泡沫凹凸棒石/石蜡复合材料的制备及其储热性能研究

马苏玉

，China

Abstract：Phase change energy storage materials can store energy through phase change and release it when needed. The research and application of them can greatly improve the energy utilization rate and effectively alleviate the problem of energy shortage. In this paper, the porous matrix materials were prepared by foaming principle using attapulgite as the raw materials. Then the foam attapulgite / paraffin composites were prepared by impregnation and adsorption using paraffin as phase change agent. The thermal properties of the composites were studied by the methods of reference temperature and DSC. The results showed that the porosity of porous materials prepared from attapulgite was up to 80v%. These porous materials could adsorb 35wt% paraffin (phase change agent) without any leakage. The latent heat of attapulgite / paraffin composites was 94J/g and their thermal conductivity was 0.246W/(m ℃), which is superior to that of pure paraffin.

Key words：Attapulgite; paraffin; phase transformation; thermal storage property;T-history method

第一章 前言

随着社会经济的迅猛发展，世界范围内对能源的需求也是急剧的增长，随之而来的就是环境问题和能源短缺的问题也变得越来越严重，由此引发出对于相变储热技术的研究。而相变储能技术作为一种十分优秀的存储热能的技术，可以极为有效的缓解甚至解决当前环境污染和能源短缺的问题。相变储能技术还可以用来开发新的能源和对热能的回收。目前相变储能技术在节能建筑、太阳能热存储、纺织品、电子设备的冷却系统以及航天航空领域都有着极其广泛的应用前景。

1.1相变储能材料

1.1.1相变储能材料的分类

所谓的相变储能材料指的是在发生相变的过程中吸收或释放能量的材料。就是因为这种特性使得相变储能材料具有被广泛应用的理论基础。而相变储能的核心就是相变材料。当相变材料在相变过程，必定要经历物理状态的变化，大多数相变材料相变时是由固态向液态转变 ^[1]。在两种相相互转变的过程之间，相变材料需要从环境中吸收热量，反之，相变材料就得向环境释放热量^[2]。相变热，顾名思义，就是指相变材料相变时由于物理状态发生变化时可以储存或者释放的能量，而且相变的发生温度区间往往是非常的小的^[3-4]。相变材料还具有一个特征那就是当相变材料的物理状态发生改变时，相变材料的自身温度在相变没有结束之前时基本上是保持不变的。这是因为当大量的相变热转移到环境当中时，就会产生一个较宽的温度平台 ^[5]。其中的原理是相变材料可以在热量的传输过程中将能量存储起来，就好比热阻一样将会延长能量传输的时间，减小温度梯度。因此就会展现出一个较宽的温度平台 ^[6]。

用于储能的相变材料应具有以下几个特点：较高的相变潜热，窄的凝固熔化温度，比热大，导热率高，并具有极小的过冷度或者凝固时不会出现过冷现象，室温下具有较低的蒸气压，同时还要有良好的化学性能稳定^[7]。

一般来说，相变材料根据其化学成分通常可以分成两大类：无机相变材料和有机相变材料。而根据相变温度的高低，可以将相变材料分为：低温相变材料、中温相变材料以及高温相变材料^[8]。

1、无机相变材料

无机相变材料的种类繁多，主要包括盐和结晶、金属以及合金类、熔融盐等。这种相变材料归属为低温相变材料，使用较多的无机相变材料是盐类和结晶水^[9]。

这种无机相变材料的优点有：较高的导热系数、熔解热比较大，相变体积也较小，价格十分低廉等，同时它也具有一定的缺点：过冷度比较大、容易产生相分离现象和老化变质之类的不利影响。但是，通过添加成核剂以及增稠剂可以很有效的解决相分离和过冷的现象^[10]。

2、有机相变材料

最为常见的有机相变材料包括高级脂肪烃类、醇类、芳香烃类、脂肪酸或其酯或盐类、酰胺类、氟利昂类、芳香酮类和多羟基碳酸类等等。而石蜡因为成本低、工艺简单、潜热大，成为了目前使用最多的有机相变储能材料^[11]。

有机储能材料一般具有以下优点：固体成型好、腐蚀性较小、不易过冷及发生相分离现象、性能稳定。但也具有一定的缺点：密度小、导热系数小、易燃、易挥发和相变体积变化量大等。

1.1.2相变储能材料的应用

1、航天航空方面的应用：

外太空的温度是属于极寒或极热的环境，因此宇航员、航天器的保护要求是十分的严格的，普通材料根本无法适应此类的恶劣条件。因此，需要特殊材料来进行保护。前苏联和美国科学家率先研制出应用在宇航员的服装、返回舱外壳等方面的相变材料。在进入21世纪以来，经过我国科学家的不断研究，关键技术部分已经被攻克，并开始运用到实际之中。

2、节能建筑方面的应用：

美国能源部太阳能公司于1982年发起了相变储能材料应用于建筑材料的研究。将相变材料应用于建筑方面，是建筑领域一次革命性的发展。主要因为它能起到很好的节能效果（60%-99%）。将相变材料应用到电采暖行业是传统电采暖方式过渡到节能电采暖方式的革命性转变。比如相变热电暖器就是其中代表性产品，相对传统电暖器它可节能60%-70%^[12]。

20世纪90年代以相变材料处理建筑材料的技术开始发展起来。随后，相变材料在石膏墙板、混凝土试块等建筑材料中的应用研究一直方兴未艾^[13]。此外，含有相变材料的水泥路面或沥青地面，可以防止道路、桥梁等在寒冷的冬季夜晚结冰 ^[14]。

3、纺织品中的应用：

在服装领域，使用相变材料，将相变材料植入纤维中，在不使用任何能源的情况下，可以让普通衣服变成微空调极大的提高了人们的生活质量。

4、制冷系统中的应用：

在低温存储和生物医学组织运输中，由于地域交通、供电、卫生人员等客观条件的制约，物资往往不能及时可靠的供应。因此研制一种无源、高效、保温时间长的便携式冷链保障装备具有重要意义。

蓄能相变空调是以绿色节能环保为理念，充分利用大自然的天然冷源及其在时间上的周期变化的特点，通过相变储能装置和室外风冷装置与外界进行能量交换，通过微电脑控制器来实现的智能节能温控，充分实现对天然能源的科学合理地应用。

总言而之，相变贮热材料在节能、太阳能利用、医疗保健产品、工程保温材料、航天航空器材、电器防热外壳、日用品中如保暖服饰、保温盒、保鲜盒、取暖器、储能炊具等等诸多方面都表现出了广阔的应用前景。今后的研究可能开发出除了具有相变储能功能外还具有其它诸多功能的多功能相变材料。例如导电相变材料、形状记忆相变材料、防水相变材料、可微波加热的相变材料、可杀菌防虫蛀的相变材料等等^[15]-[16]。可以预见在不久的将来，我国相变储能材料的应用会进一步发展。

1.1.3相变储能材料的研究现状

我国当下对相变储能材料的开发研究仍然具有很多问题，

一是相变储能材料在使用时的能否长时间重复使用的问题。在使用过程之中，反复的循环相变会使材料的热物理性质衰退，而且在相变发生后的相变材料极其容易从基体中流出，从而导致储能效果的减弱或材料的报废。

二是相变储能材料的经济性实用性限制了它在建筑领域中的广泛应用。较高的价格使它丧失了与其他储热方法之间的优势。

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