摘 要

相变材料可以通过固-液相转变实现热能的存储和释放，这种热量存储方式具有较高的相变潜热，因此在相变储能的方向上具有较好的应用前景。一些有机相变材料具有很好的稳定性、较高的相变潜热、无毒无害、以较宽的相变温度等优点，但在实际的应用过程中，相变材料定有发生泄露的现象以及热导率低等问题。将相变材料和不同基体的气凝胶材料复合起来可以有效解决泄露问题。本文采用十四酸、十六酸、十八酸作为相变填充材料，以碳气凝胶和碳硅气凝胶为导热骨架。可以在解决相变材料泄露问题的同时提高对相变材料的热导率，且由于有相变材料的存在，气凝胶整体的隔热性提高。主要结论如下

1. 碳硅气凝胶的隔热性能优于纯碳气凝胶的隔热性能。
2. 碳气凝胶与相变材料的复合只是简单地物理共混，没有新的物质生成。
3. 热熔渗法的最优实验温度为90℃，以及浸渍时间最佳为30-40分钟。
4. 碳硅气凝胶的相变温度是57.71℃，相变焓是187.7J/g, 碳硅复合气凝胶材料中相变材料占到总质量的80％。

关键词：相变材料 碳气凝胶 碳硅气凝胶

Preparation and Properties of Phase Change Material Composite Carbon-based Aerogels

Abstract

The phase change material can realize the storage and release of thermal energy through solid-liquid phase transition. This heat storage method has a high latent heat of phase change, so it has a good application prospect in the direction of phase change energy storage. Some organic phase change materials have good stability, high latent heat of phase change, non-toxic and harmless, and a wide phase transition temperature, but in the actual application process, the phase change material is bound to leak. Phenomenon and low thermal conductivity. The combination of phase change materials and aerogel materials of different substrates can effectively solve the leakage problem. In this paper, tetradecanoic acid, palmitic acid and octadecanoic acid are used as phase change filler materials, and carbon aerogel and carbon silica aerogel are used as heat conduction skeleton. The thermal conductivity of the phase change material can be improved while solving the problem of phase change material leakage, and the overall heat insulation of the aerogel is improved due to the presence of the phase change material. Main conclusions are as follows

(1) The thermal insulation performance of carbon silica aerogel is better than that of pure carbon aerogel.

(2) The compounding of carbon aerogel and phase change material is simply physical blending, no new material is formed,

(3) The optimum experimental temperature for hot melt infiltration is 90 ° C, and the optimum immersion time is 30-40 minutes.

(4) The phase transition temperature of the carbon-silicon aerogel is 57.71℃, the phase transition enthalpy is 187.7J/g, and the phase change material in the carbon-silicon composite aerogel material accounts for 80% of the total mass.

Keywords：Phase change material; Carbon aerogel; Carbon silicon aerogel

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.2碳气凝胶 1

1.3相变材料 1

1.4相变材料基本要求 2

1.5气凝胶的干燥 2

1.6相变材料的分类 3

1.7碳气凝胶的应用 5

1.7.1水处理应用 5

1.7.2电化学领域 5

第二章 碳气凝胶复合相变材料的制备 6

2.1实验药品 6

2.2实验仪器 6

2.3 样品表征手段 6

2.4气凝胶材料的制备 7

2.4.1纯碳气凝胶的制备流程： 7

2.4.2碳硅气凝胶的制备流程： 8

2.5 热熔渗温度和熔渗时间的确定 8

第三章 碳气凝胶及其复合材料的表征 10

3.1 X射线衍射分析 10

3.2红外光谱分析 11

3.3差热-热重分析 11

3.4扫描电镜分析（SEM） 12

3.5 隔热性能考核 13

3.6防泄漏实验 14

第四章 碳硅复合气凝胶及其复合材料的表征 16

4.1 X射线衍射分析 16

4.2红外光谱分析 17

4.3差热-热重分析 17

4.4扫描电镜分析（SEM） 18

4.5隔热性能考核 19

4.6防泄漏实验 20

第五章 总结与展望 22

5.1总结 22

5.2展望 22

参考文献 23

致谢 25

第一章 绪论

1.1课题意义

伴随着航空航天技术的事业在我国的高速发展，飞行设备主要发展方向已经向多功能化、高速化、安全化、轻质化、低成本化的方向转变。其中高超声速飞行器已经具备反应时间短、全球迅速到达等的特点，是世界范围内各个大国空间技术竞争的焦点，而一个国家高超声速飞行器的发展水平也在一定程度上表现出了一个世界大国综合国力的强弱。

进入21世纪以来人类对地球的探索，对化石能源更加的依赖，这种能源问题制约了社会经济的发展。气凝胶材料因其优越的物理、化学性能越来越受到大家的广泛重视，因此在航天，化工冶金，建筑等各行各业需求越来越大。但因为纯碳或者碳硅气凝胶低密度高孔隙率等各种其特点使其热学性能下降，强度低、脆性大、热学性能不理想让它难以处理应用，使其产业化规模化有较大的难度。倘若我们让气凝胶与各种相变材料结合做成复合材料可以有效改良单一种类气凝胶在实际应用中如导热率低，相变过程易泄露的缺点，进而增强相变材料的实际应用价值以及商业价值。本文以碳基气凝胶以及碳硅复合气凝胶为骨架，分别以十四酸、十六酸、十八酸为相变材料制备复合相变材料。

1.2碳气凝胶

碳气凝胶是一种以碳骨架为基体的气凝胶材料，这种东西空隙率大，密度相对较低，比表面积相对较大等特点。相比其他多孔材料和气凝胶材料，它具备多重优势。比如它有超高的比表面积，还有惊人的质量体积比，和超高的孔隙率。由于以上特性，该材料吸引越来越多的科研工作者的目光，它在越来越广泛的领域发挥着着越来越重要的作用。

比如，可以用于环保水资源净化，还有油田方面水油分离，可以去除水中重金属离子；还有气相方面的减少空气污染，吸收空气中的病菌灰尘之类的。可以吸收某些有机气体或者无机气体，确保大气的干净，还有电化学分析应用，可以检测水中病菌或者有机物质等等方面扮演着越来越重要的角色。尤其现在世界面临的能源危机以及能源短缺等重大环境问题，碳气凝胶恰恰会在这两个领域发挥巨大作用且有非常大的广阔前景。

1.3相变材料

相变材料是在吸热的情况下发生相变实现储存热量又在冷却情况下释放热量的功能的材料的总称。它有在有差异温度条件下实现热量的吸收与释放的功能。常见的相变材料必需要有易获取，低价，无毒无害等特点。由于其优异的性能特点被广泛用于新型建筑等领域，但实际上优异的性能相变材料较为稀少，因此新型相变储热材料的研究，为增强相变材料的性能以及使用寿命提供了有效的途径。

1.4相变材料基本要求

相变材料是一种由于周围环境温度的改变而相变材料也发生相转变，从而在这一循环过程中产生吸收释放热效应的特殊材料。当周围环境温度发生变化时，相变材料可以通过自身的固液相转变，维持周围环境温度的稳定，从而使得该材料在工业余热回收、太阳能储热、制冷系统、电站储热等领域具有广泛应用。一般来讲，选择相变材料时要从下面几个方面考虑：

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