作家：陈莎1陈岳浩1孙小琴1廖晨曦2体育游戏app平台

单元：1. 长沙理工大学能源与能源工程学院； 2. 长沙麦融高科股份有限公司

援用：陈莎,陈岳浩, 孙小琴, 等. 碳基纳米石蜡复合相变储能材料制备与性能盘问[J]. 储能科学与时候, 2024, 13(12): 4349-4356. 

DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2024.0759

本文亮点：1.选拔了纳米洋葱碳看成高导热介质制备高导热纳米石蜡复合相变材料。2.通过实验笼统对比探究了多壁碳纳米管和纳米洋葱碳在增强材料导热性能方面的性能，同期斟酌了两种纳米颗粒质料浓度对相变材料潜热和领会黏度的影响。

摘 要相变材料的低导热所有末端了相变储能系统的传热效劳。本责任针对石蜡导热所有低的问题，以石蜡为基底材料，登第羧基化多壁碳纳米管(MWCNT)与纳米洋葱碳(CNOs)看成高导热介质，选拔两步法分离制备了系列不同质料浓度的碳基纳米石蜡复合相变材料(CPCM)，探究了两种纳米材料的添加量对CPCM的相变温度、相变潜热、导热所有和领会黏度的影响。盘问末端发现，碳纳米材料的加入对石蜡的相变温度的影响较小，最大温度偏差仅为1.811 ℃；相变潜热跟着纳米颗粒质料浓度变化呈现非线性变化趋势，CNOs质料分数为4%时，CPCM潜热减少最多，达到16.4%；CPCM的导热所有和液相材料的领会黏度均跟着纳米添加剂浓度的增多而增多，4% CNOs-PCMs材料液态和固态导热所有分离为0.3167 W/(m·K)和0.8322 W/(m·K)，导热所有增幅最大，达到80.7%和195.9%，与MWCNT比较，使用CNOs看成石蜡的高导热介质，更故意于增强复合相变材料的导热性能。本盘问为诱骗具有高导热所有的石蜡复合相变材料提供了实验依据，为不同需求下纳米石蜡复合相变材料的弃取提供了参考。

关节词相变储能；石蜡；纳米洋葱碳；多壁碳纳米管；导热所有；相变潜热；领会黏度

在国度“碳达峰，碳中庸”战术实施的布景下，提高能源欺诈效劳和诱骗新的可再生能源为缓解日益增长的能源需求提供了有用的管制决议[1]。相变储能时候具有高储热密度、褂讪责任温度、节能成果好等优点[2]，能克服热能供给和需求在时分、空间和强度上的不匹配问题[3]，在低碳建筑、工业余热回收、可再生能源欺诈和电子元器件冷却等限制具有广袤的应用远景。关联词，相变材料的低热导率会严重影响储能系统的功率密度，制约相变储能时候畸形系统的履行应用与发展[4]。

石蜡看成有机相变材料中盘问和应用最庸碌的一类，具有潜热值高、热物感性质褂讪等优点，而其主要劣势为导热率低。低热导率末端了材料表里热能的扩散，减轻了能量储存和温度调遣的性能，通过应用翅片、热管等时候优化储能单元的结构不错达到提高换热效劳的成见。罗意彬等[5]通过开展不同鸿沟温度下的双翅片矩形相变储能单元的可视化实验，为相变储能系统的强化传热联想提供表面依据。严景好等[6]向相变材料中添加金属泡沫管制了相变材料低导热率引起的换热成果较差等问题，全体蓄热效劳可提高8.02%。选拔翅片结构或泡沫金属可改善相变储能系统的传热性能，但相变材料本人低导热性能的末端并未从压根上得到管制。添加纳米高导热介质，制备复合相变材料以强化相变储能的传热效劳，是现在最常用的技能之一。在曩昔的二十多年里，基于碳基纳米添加剂的纳米复合相变材料在提高有用热导率方面取得了巨猛进展。Babaei等[7]初次在文件中回归了通过引入纳米添加剂(包括碳基纳米结构、金属和金属氧化物纳米颗粒)来提高相变材料热导率的盘问。Li等[8]通过实验与数值模拟，选拔MWCNT——石蜡复合相变材料，盘问了添加纳米颗粒对卧式壳管潜热蓄热安装熔解速度的影响。末端标明：在不同的鸿沟温度下，MWCNT对PCMs的熔解速度有不同的影响。当传热温差为20 ℃时，0.05%的MWCNT能提高PCMs的熔解速度；当传热温差为40 ℃时，0.10%的纳米颗粒权贵普及PCM的熔解速度。Fan等[9]实验盘问了添加各式碳纳米填料对用于热能储存的石蜡基纳米复合相变材料的导热性能和储能性能的影响。末端标明，纳米填料的存在禁止了相变焓值，对相变温度的影响不错忽略不计。复合PCM的导热性能跟着纳米填料加载量的增多而增多，而相对增强的进程主要取决于纳米填料的大小和局势。5%石墨烯纳米片对材料导热性能的增强成果最佳，导热所有提高了164%。Lin等[10]综述了提高相变材料导热所有的措施，包括添加高导热所有的添加剂和封装相变材料，添加导热增强型填料是提高相变材料导热性能的一种更有用的措施。在各式类型的导热增强材料中，比较于金属/金属氧化物纳米颗粒，碳基纳米结构因具有高长径比和高比名义积而对热导率证明出更大的增强效应[11]；同期，碳基纳米颗粒的密度与PCM相通，这使得它在变成复合材料时不错具有精采的分散均匀性和悬浮性[12-13]；Chen等[14]从声子输运和晶格振动的角度回归了负载不同构象的碳材料对热导率的影响，碳基复合PCM在热能储存和太阳能光热转化方面的应用远景也得到了细目。

但现在的盘问珍爱于添加高导热纳米颗粒对相变材料导热所有的普及，忽略了因纳米颗粒加入带来的潜热禁止以及液相材料黏度增多的影响。因此本文字据材料特色登第了两种性能优厚的MWCNT和CNOs碳基纳米材料看成高导热介质，来改善石蜡导热所有低的问题。其中MWCNT是由多层纳米石墨片层卷曲而成的圆柱形纯碳材料，具有权贵的圆柱形结构以及较高的长径比，不错在相变材料中诞生线性传热旅途，然则容易发生辘集，而在水和其他有机溶剂中难以分散，通过引入羧基官能团能够提高其分散系与褂讪性[15]。CNOs也被称为“多层富勒烯”，是一种独有的碳同素异形骸，这种洋葱状纳米结构由中空球形富勒烯中枢和齐心石墨层构成，这种笼中笼结构使得CNOs具有尽头的物感性质：高热导率、高电导率、高热褂讪性以及比MWCNT更大的比名义积[16-17]，是最有出路的碳基纳米结构之一。本责任以石蜡为基底材料，油酸为分散剂，分离制备了一系列不同质料浓度的碳基纳米石蜡复合相变材料。通过实验，对比了MWCNT与CNOs提高相变材料热导率的材干，同期珍爱斟酌了两种纳米颗粒质料浓度对相变材料潜热和领会黏度的影响王法，探明了纳米颗粒质料浓度与复合相变材料潜热值禁止及领会黏度增大的量化相关。

1 实验材料与制备

1.1　实验材料

石蜡，购于中国杭州鲁尔能源有限公司，其热物性参数如表1所示；羧基化MWCNT，购于中国深圳穗衡石墨科技有限公司，纯度大于98%，内径3~5 nm，外径8~15 nm，比名义积250~270 m2/g；CNOs，购于中国深圳国森领航科技有限公司，直径8~15 nm；油酸，购于比克曼生物科技有限公司。

表1   石蜡相变材料热物性参数

Table 1   Thermophysical parameters of paraffin phase change materials

1.2　复合材料制备与测试

选拔两步法制备纳米石蜡复合相变材料。以石蜡、MWCNT、CNOs为实验材料。当先使用透射电子显微镜(TEM)不雅察纳米材料，比较其微不雅结构。设置时将适量的石蜡放入玻璃烧杯中，并将其在60℃恒温的水域中熔解，分离将不同质料的MWCNT和CNOs加入熔融的石蜡中。选拔油酸看成分散剂改善纳米颗粒的分散均匀性，其中油酸添加比例分离为1∶1.7和1∶3.5[18]。每种复合材料共配制100 g夹杂物。将复合材料在60 ℃的环境下恒温磁力搅动60 min，超声水浴中飘零90 min，以取得均匀的复合材料[19]。碳纳米颗粒在石蜡中的质料分数分离为1%、2%、3%、4%，制备历程如图1所示。

纳米复合相变材料制备历程

Fig. 1Nanocomposite phase change material preparation process

实验通过用TEM不雅测纳米材料，通过差示扫描量热仪、导热所有仪、正弦波振动式流变仪分离测量不同纳米颗粒浓度下的CPCM的相变温度和相变潜热、导热所有和黏度。实验在反复10次凝固熔解轮回测试中，CPCM无肉眼可见的分层，评释油酸分散剂的加入有用地改善了CPCM的褂讪性。但字据连系学者盘问可知，复合相变材料在阅历屡次热轮回后，会出现纳米粒子的辘集和千里降，这会径直影响相变材料的导热性能，裁减使用寿命[20]。后续将对静置情况下相变材料在宏不雅及微不雅下的热轮回褂讪性进行深化盘问。

2 实验测试及末端

2.1　MWCNT和CNOs的微不雅结构

分离取MWCNT和CNOs分散到酒精溶液中，进行45 min水浴超声飘零后，取几滴分散好的液体，逐滴滴加在超薄铜网上，经过晾干后，分离拍摄高分辨描画。所用TEM型号为日本JEOL JEM-F200，加快电压200 kV，能谱型号JED-2300T。TEM图像如图2、3所示。MWCNT呈多层条状结构，管径散布均匀，测量直径为10~15 nm；CNOs呈多层笼中笼的洋葱状结构，测量直径为8~16 nm。

MWCNT高分辨TEM图

Fig. 2High-resolution TEM image of MWCNT

CNOs高分辨TEM图

Fig. 3High-resolution TEM image of CNOs

2.2　不同纳米颗粒浓度相变材料的相变潜热和相变温度

选拔好意思国TA公司DSC2500型差示扫描量热仪，将纯石蜡与不同质料分数的纳米复合相变材料在氮气环境中以5 ℃/min的升温速度进行DSC测试，探究纳米颗粒浓度对复合材料相变潜热和相变温度的影响。图4和图5分离为加入不同质料浓度MWCNT和CNOs的CPCM的DSC测试末端。不同添加物浓度下CPCM的热流随温度变化弧线均为单驼峰型，评释盘问的整个样品在放热凝固及吸热熔解过程中均只存在一个相变过程。

MWCNT-PCMs的DSC弧线

Fig. 4DSC curve of MWCNT-PCMs

CNOs-PCMs的DSC弧线

Fig. 5DSC curve of CNOs-PCMs

表2和表3分离为MWCNT-PCMs和CNOs-PCMs的相变潜热和相变温度。纯石蜡凝固和熔解相变潜热分离为196.43 J/g和198.08 J/g。总体上，CPCM的相变潜热跟着纳米粒子质料浓度的增多而减小，CNOs质料分数为1%时样品凝固潜热减小比例最小(0.8%)；CNOs质料分数为4%时潜热减少最多，凝固过程潜热减少16.4%，熔解过程潜热减少16.3%。值得一提的是，在两种材料质料分数为2%时，凝固和熔解过程的潜热比较于1%时均有所增多。由于纯石蜡在相变过程中会开释或继承潜热，纳米颗粒质料浓度的增大势必导致纯石蜡质料占比的减小，因此表面瞻望纳米颗粒质料浓度的增多将导致相变潜热的线性禁止。关联词石蜡中的C—H键在相变过程中会与纳米添加剂名义的π电子变成大宗的C—H⋯π键，故CPCM的相变潜热随纳米颗粒质料浓度变化呈现非线性变化趋势[21-22]。这一发现能够为管制碳基纳米添加剂引起的潜热禁止问题提供念念路。从相变温度上看，复合相变材料与纯石蜡的相变温度接近，最大温度偏差为1.811 ℃，评释碳纳米材料的加入对石蜡的相变温影响较小。

表2   MWCNT-PCMs潜热、相变温度统计表

Table 2   Statistical table of latent heat and phase transition temperature of MWCNT-PCMs

表3   CNOs-PCMs潜热、相变温度统计表

Table 3   Statistical table of latent heat and phase transition temperature of CNOs-PCMs

2.3　不同纳米颗粒浓度相变材料的导热所有

选拔中国夏溪公司TC 3100通用型导热所有仪，精度为±3%，分离开展固相和液相材料导热所有的测试，其中液相材料的导热所有测试在30~40 ℃温度下进行，固相材料的导热所有测试在10~20 ℃温度下进行，末端取屡次测试的平均数据。图6和图7分离为加入不同质料浓度的MWCNT和CNOs的CPCM液相时的平均导热所有和平均导热所有增长率。液相和固相纯石蜡的平均导热所有分离为0.1753 W/(m·K)和0.2812 W/(m·K)。两种纳米颗粒添加剂制备的CPCM导热所有均跟着纳米添加剂浓度的增多呈现递加趋势。对比液相MWCNT-PCMs和CNOs-PCMs的平均导热所有，液相4% MWCNT-PCMs的平均导热所有达到0.2280 W/(m·K)，相关于纯石蜡材料增大了33.1%；液态4% CNOs-PCMs的平均导热所有为0.3167 W/(m·K)，相关于纯石蜡增大了80.7%。

液相MWCNT-PCMs平均导热所有及导热所有增长率

Fig. 6Average thermal conductivity and thermal conductivity growth rate of liquid-phase MWCNT-PCMs

液相CNOs-PCMs平均导热所有及导热所有增长率

Fig. 7Average thermal conductivity and thermal conductivity growth rate of liquid-phase CNOs-PCMs

图8和图9分离为CPCM固相时的平均导热所有和平均导热所有增长率。固相石蜡导热所有高于其液相材料导热所有，添加纳米颗粒后固相材料的增幅愈加彰着。当质料浓度达到4%时，增幅有所禁止，评释增幅峰值位于2%~4%。固相4% MWCNT-PCMs的平均导热所有达到0.7874 W/(m·K)，相关于纯石蜡增大了180.0%；固相4% CNOs-PCMs的平均导热所有为0.8322 W/(m·K)，相关于纯石蜡增大了195.9%。

固相MWCNT-PCMs平均导热所有及导热所有增长率

Fig. 8Average thermal conductivity and thermal conductivity growth rate of solid-phase MWCNT-PCMs

固相CNOs-PCMs平均导热所有及导热所有增长率

Fig. 9Average thermal conductivity and thermal conductivity growth rate of solid-phase CNOs-PCMs

由以上测试末端可知，CNOs因其尽头笼中笼结构，具有高比名义积，对石蜡分子的吸附力更强，故意于其在石蜡中的分散，从而变成更有用的导热旅途，使得添加CNOs更故意于增强复合相变材料的导热性能。

2.4　不同纳米颗粒浓度相变材料的领会黏度

选拔奥地利Anton Parr公司MCR 302正弦波振动式流变仪，在30~60 ℃的温度范围内，开展不同纳米颗粒浓度下液相材料的领会黏度测试，屡次测试末端的平均值如图10和图11所示。整个CPCM的领会黏度均随测试温度的增大而减小，跟着温度的升高分子间间距增大，导致分子间范德华力减小，故领会黏度随温度的升高而禁止。跟着纳米颗粒的加入，CPCM的领会黏度相关于纯石蜡材料均有所增多，由于CNOs尽头的笼中笼结构，更大的比名义积和更强的吸附秉性，导致加入CNOs样品领会黏度的增长愈加重烈，在质料浓度为4%，30 ℃时领会黏度高达19.98 mPa·s。相变材料的储放能过程伴跟着相变材料的凝固与熔解，轮回过程中存在液相材料内的当然对流传热，领会黏度的增长将减轻当然对流的强度，从而禁止此阶段内相变储能的总传热效劳，黏度的增长达到一定数值时甚而可能对消导热所有增长带来的传热强化成果。因此需要聚首导热与对流两种传热形式，以及应用场景的需求进行笼统评价与弃取。

30~60 ℃不同质料浓度MWCNT-PCMs的黏度

Fig. 10Viscosity of MWCNT-PCMs with different mass concentrations at 30—60 ℃

30~60 ℃不同质料浓度CNOs-PCMs的黏度

Fig. 11Viscosity of CNOs-PCMs with different mass concentrations at 30—60 ℃

3 结 论

本责任选拔两步法，以石蜡、MWCNT、CNOs为实验材料制备了一系列质料浓度的碳基纳米石蜡复合相变材料。对比探究了两种纳米颗粒的添加量对CPCM的相变温度、相变潜热、导热所有和领会黏度的影响。

盘问末端发现，两种纳米添加剂制备的CPCM导热所有均跟着纳米添加剂浓度的增多呈现递加趋势。4% MWCNT-PCMs液相和固相材料平均导热所有分离为0.2280 W/(m·K)和0.7874 W/(m·K)，导热所有增幅达到30.1%和180%；4% CNOs-PCMs液相和固相材料平均导热所有分离为0.3167 W/(m·K)和0.8322 W/(m·K)，导热所有增幅达到80.7%和195.9%，固态导热所有增幅更大，且添加CNOs更故意于增强复合相变材料的导热性能。

关联词，伴跟着热导率的大幅普及，出现了两个不行忽视的负面影响。第一，纳米添加剂的存在禁止了基底相变材料的潜热；复合材料的相变潜热跟着纳米颗粒质料浓度变化呈现非线性变化趋势，CNOs质料浓度为4%时潜热减少最多，为16.4%。第二，纳米添加剂的引入会带来领会黏度的权贵增长，这将大幅减轻CPCM熔解过程中液相材料的当然对流强度，这种负面成果甚而可能对消高热导率带来的传热普及成果。CNOs质料浓度为4%，30 ℃时领会黏度高达19.98 mPa·s，相关于纯石蜡的4.53 mPa·s增大15.45 mPa·s。因此，后续盘问应该针对纳米添加剂对基底相变材料的导热普及、潜热减小、领会黏度增长等冷漠笼统评价谋划，为纳米添加剂种类和浓度的登第提供参考。

第一作家：陈莎（1996—），女，硕士盘问生，盘问地方为储能表面与时候，E-mail：chensha0513@163.com；

通信作家：孙小琴，西席，盘问地方为相变储能时候，E-mail：xiaoqinsun@csust.edu.cn。

本刊保举

（点击图片可跳转到相应著述书册）

]article_adlist-->

邮发代号：80-732

连系热线：010-64519601/9602/9643

投稿网址：http://esst.cip.com.cn/CN/2095-4239/home.shtml体育游戏app平台

海量资讯、精确解读，尽在新浪财经APP