作家：陈莎1陈岳浩1孙小琴1廖晨曦2网络彩票和AG百家乐

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照管[J]. 储能科学与技能, 2024, 13(12): 4349-4356. 

DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2024.0759

本文亮点：1.经受了纳米洋葱碳行动高导热介质制备高导热纳米石蜡复合相变材料。2.通过执行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，同期酌量了两种纳米颗粒质料浓度对相变材料潜热和畅通黏度的影响。

摘 要相变材料的低导热悉数罢了了相变储能系统的传热服从。本职责针对石蜡导热悉数低的问题，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)行动高导热介质，经受两步法区分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、导热悉数和畅通黏度的影响。照管扫尾发现，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的导热悉数和液相材料的畅通黏度均跟着纳米添加剂浓度的增加而增加，4% CNOs-PCMs材料液态和固态导热悉数区分为0.3167 W/(m·K)和0.8322 W/(m·K)，导热悉数增幅最大，达到80.7%和195.9%，与MWCNT比拟，使用CNOs行动石蜡的高导热介质，更故意于增强复合相变材料的导热性能。本照管为开拓具有高导热悉数的石蜡复合相变材料提供了执行依据，为不同需求下纳米石蜡复合相变材料的采选提供了参考。

关键词相变储能；石蜡；纳米洋葱碳；多壁碳纳米管；导热悉数；相变潜热；畅通黏度

在国度“碳达峰，碳中庸”政策实施的配景下，提高能源运用服从和开拓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经管有野心[1]。相变储能技能具有高储热密度、踏实职责温度、节能服从好等优点[2]，能克服热能供给和需求在期间、空间和强度上的不匹配问题[3]，在低碳建筑、工业余热回收、可再生能源运用和电子元器件冷却等范围具有渊博的应用前途。但是，相变材料的低热导率会严重影响储能系统的功率密度，制约相变储能技能过头系统的握行应用与发展[4]。

石蜡行动有机相变材料中照管和应用最等闲的一类，具有潜热值高、热物感性质踏实等优点，而其主要弱势为导热率低。低热导率罢了了材料表里热能的扩散，减弱了能量储存和温度调遣的性能，通过应用翅片、热管等技能优化储能单元的结构不错达到提高换热服从的观念。罗意彬等[5]通过开展不同范围温度下的双翅片矩形相变储能单元的可视化执行，为相变储能系统的强化传热假想提供表面依据。严景好等[6]向相变材料中添加金属泡沫经管了相变材料低导热率引起的换热服从较差等问题，举座蓄热服从可提高8.02%。经受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罢了并未从根蒂上得到经管。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服从，是当今最常用的技能之一。在畴昔的二十多年里，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]初度在文件中回首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照管。Li等[8]通过执行与数值模拟，经受MWCNT——石蜡复合相变材料，照管了添加纳米颗粒对卧式壳管潜热蓄热装配溶解速度的影响。扫尾标明：在不同的范围温度下，MWCNT对PCMs的溶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的溶解速度；当传热温差为40 ℃时，0.10%的纳米颗粒显赫提高PCM的溶解速度。Fan等[9]执行照管了添增加样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。扫尾标明，纳米填料的存在谴责了相变焓值，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加而增加，而相对增强的进程主要取决于纳米填料的大小和时势。5%石墨烯纳米片对材料导热性能的增强服从最佳，导热悉数提高了164%。Lin等[10]综述了提高相变材料导热悉数的门径，包括添加高导热悉数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门径。在多样类型的导热增强材料中，比拟于金属/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发扬出更大的增强效应[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良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首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编削方面的应用前途也得到了细目。

但当今的照管堤防于添加高导热纳米颗粒对相变材料导热悉数的提高，忽略了因纳米颗粒加入带来的潜热谴责以及液相材料黏度增加的影响。因此本文凭据材料特色登第了两种性能优厚的MWCNT和CNOs碳基纳米材料行动高导热介质，来改善石蜡导热悉数低的问题。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，具有显赫的圆柱形结构以及较高的长径比，不错在相变材料中建造线性传热旅途，但是容易发生团员，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踏实性[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具有非凡的物感性质：高热导率、高电导率、高热踏实性以及比MWCNT更大的比名义积[16-17]，是最有出路的碳基纳米结构之一。本职责以石蜡为基底材料，油酸为分散剂，区分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。通过执行，对比了MWCNT与CNOs提高相变材料热导率的才调，同期持重酌量了两种纳米颗粒质料浓度对相变材料潜热和畅通黏度的影响国法，探明了纳米颗粒质料浓度与复合相变材料潜热值谴责及畅通黏度增大的量化关联。

1 执行材料与制备

1.1　执行材料

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

经受两步法制备纳米石蜡复合相变材料。以石蜡、MWCNT、CNOs为执行材料。率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。设立时将适量的石蜡放入玻璃烧杯中，并将其在60℃恒温的水域中溶解，区分将不同质料的MWCNT和CNOs加入熔融的石蜡中。经受油酸行动分散剂改善纳米颗粒的分散均匀性，其中油酸添加比例区分为1∶1.7和1∶3.5[18]。每种复合材料共配制100 g混杂物。将复合材料在60 ℃的环境下恒温磁力搅动60 min，超声水浴中涟漪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区分为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

执行通过用TEM不雅测纳米材料，通过差示扫描量热仪、导热悉数仪、正弦波振动式流变仪区分测量不同纳米颗粒浓度下的CPCM的相变温度和相变潜热、导热悉数和黏度。执行在反复10次凝固溶解轮回测试中，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的踏实性。但凭据有关学者照管可知，复合相变材料在经验屡次热轮回后，会出现纳米粒子的团员和千里降，这会胜仗影响相变材料的导热性能，ag真人多台百家乐的平台官网缩小使用寿命[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踏实性进行深刻照管。

2 执行测试及扫尾

2.1　MWCNT和CNOs的微不雅结构

区分取MWCNT和CNOs分散到酒精溶液中，进行45 min水浴超声涟漪后，取几滴分散好的液体，逐滴滴加在超薄铜网上，经过晾干后，区分拍摄高分辨描摹。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

经受好意思国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区分为加入不同质料浓度MWCNT和CNOs的CPCM的DSC测试扫尾。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，评释照管的悉数样品在放热凝固及吸热溶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区分为MWCNT-PCMs和CNOs-PCMs的相变潜热和相变温度。纯石蜡凝固和溶解相变潜热区分为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加而减小，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%，溶解过程潜热减少16.3%。值得一提的是，在两种材料质料分数为2%时，凝固和溶解过程的潜热比拟于1%时均有所增加。由于纯石蜡在相变过程中会开释或给与潜热，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，因此表面掂量纳米颗粒质料浓度的增加将导致相变潜热的线性谴责。但是石蜡中的C—H键在相变过程中会与纳米添加剂名义的π电子变成大批的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]。这一发现大要为经管碳基纳米添加剂引起的潜热谴斥责题提供念念路。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悉数

经受中国夏溪公司TC 3100通用型导热悉数仪，精度为±3%，区分开展固相和液相材料导热悉数的测试，其中液相材料的导热悉数测试在30~40 ℃温度下进行，固相材料的导热悉数测试在10~20 ℃温度下进行，扫尾取屡次测试的平均数据。图6和图7区分为加入不同质料浓度的MWCNT和CNOs的CPCM液相时的平均导热悉数和平均导热悉数增长率。液相和固相纯石蜡的平均导热悉数区分为0.1753 W/(m·K)和0.2812 W/(m·K)。两种纳米颗粒添加剂制备的CPCM导热悉数均跟着纳米添加剂浓度的增加呈现递加趋势。对比液相MWCNT-PCMs和CNOs-PCMs的平均导热悉数，液相4% MWCNT-PCMs的平均导热悉数达到0.2280 W/(m·K)，联系于纯石蜡材料增大了33.1%；液态4% CNOs-PCMs的平均导热悉数为0.3167 W/(m·K)，联系于纯石蜡增大了80.7%。

液相MWCNT-PCMs平均导热悉数及导热悉数增长率

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

液相CNOs-PCMs平均导热悉数及导热悉数增长率

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

图8和图9区分为CPCM固相时的平均导热悉数和平均导热悉数增长率。固相石蜡导热悉数高于其液相材料导热悉数，添加纳米颗粒后固相材料的增幅愈加赫然。当质料浓度达到4%时，增幅有所谴责，评释增幅峰值位于2%~4%。固相4% MWCNT-PCMs的平均导热悉数达到0.7874 W/(m·K)，联系于纯石蜡增大了180.0%；固相4% CNOs-PCMs的平均导热悉数为0.8322 W/(m·K)，联系于纯石蜡增大了195.9%。

固相MWCNT-PCMs平均导热悉数及导热悉数增长率

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

固相CNOs-PCMs平均导热悉数及导热悉数增长率

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

由以上测试扫尾可知，CNOs因其非凡笼中笼结构，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畅通黏度

经受奥地利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畅通黏度测试，屡次测试扫尾的平均值如图10和图11所示。悉数CPCM的畅通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，故畅通黏度随温度的升高而谴责。跟着纳米颗粒的加入，CPCM的畅通黏度联系于纯石蜡材料均有所增加，由于CNOs非凡的笼中笼结构，更大的比名义积和更强的吸附本性，导致加入CNOs样品畅通黏度的增长愈加重烈，在质料浓度为4%，30 ℃时畅通黏度高达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溶解，轮回过程中存在液相材料内的当然对流传热，畅通黏度的增长将减弱当然对流的强度，从而谴责此阶段内相变储能的总传热服从，黏度的增长达到一定数值时致使可能对消导热悉数增长带来的传热强化服从。因此需要聚合导热与对流两种传热格式，以及应用场景的需求进行笼统评价与采选。

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

本职责经受两步法，以石蜡、MWCNT、CNOs为执行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、导热悉数和畅通黏度的影响。

照管扫尾发现，两种纳米添加剂制备的CPCM导热悉数均跟着纳米添加剂浓度的增加呈现递加趋势。4% MWCNT-PCMs液相和固相材料平均导热悉数区分为0.2280 W/(m·K)和0.7874 W/(m·K)，导热悉数增幅达到30.1%和180%；4% CNOs-PCMs液相和固相材料平均导热悉数区分为0.3167 W/(m·K)和0.8322 W/(m·K)，导热悉数增幅达到80.7%和195.9%，固态导热悉数增幅更大，且添加CNOs更故意于增强复合相变材料的导热性能。

但是，伴跟着热导率的大幅提高，出现了两个不行冷酷的负面影响。第一，纳米添加剂的存在谴责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畅通黏度的显赫增长，这将大幅减弱CPCM溶解过程中液相材料的当然对流强度，这种负面服从致使可能对消高热导率带来的传热提高服从。CNOs质料浓度为4%，30 ℃时畅通黏度高达19.98 mPa·s，联系于纯石蜡的4.53 mPa·s增大15.45 mPa·s。因此，后续照管应该针对纳米添加剂对基底相变材料的导热提高、潜热减小、畅通黏度增长等建议笼统评价观念，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，硕士照管生，照管标的为储能表面与技能，E-mail：[email protected]；

通信作家：孙小琴，评释注解，照管标的为相变储能技能，E-mail：[email protected]。

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