作家：陈莎1陈岳浩1孙小琴1廖朝阳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究诘[J]. 储能科学与期间, 2024, 13(12): 4349-4356. 

DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2024.0759

本文亮点：1.接管了纳米洋葱碳当作高导热介质制备高导热纳米石蜡复合相变材料。2.通过现实轮廓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，同期琢磨了两种纳米颗粒质地浓度对相变材料潜热和通顺黏度的影响。

摘 要相变材料的低导热统统终局了相变储能系统的传热遵循。本职责针对石蜡导热统统低的问题，以石蜡为基底材料，选取羧基化多壁碳纳米管(MWCNT)与纳米洋葱碳(CNOs)当作高导热介质，接管两步法鉴识制备了系列不同质地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、导热统统和通顺黏度的影响。究诘终局发现，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地浓度变化呈现非线性变化趋势，CNOs质地分数为4%时，CPCM潜热减少最多，达到16.4%；CPCM的导热统统和液相材料的通顺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统统鉴识为0.3167 W/(m·K)和0.8322 W/(m·K)，导热统统增幅最大，达到80.7%和195.9%，与MWCNT比拟，使用CNOs当作石蜡的高导热介质，更成心于增强复合相变材料的导热性能。本究诘为开发具有高导热统统的石蜡复合相变材料提供了现实依据，为不同需求下纳米石蜡复合相变材料的遴荐提供了参考。

枢纽词相变储能；石蜡；纳米洋葱碳；多壁碳纳米管；导热统统；相变潜热；通顺黏度

在国度“碳达峰，碳中庸”战术实施的配景下，提高能源足下遵循和开发新的可再生能源为缓解日益增长的能源需求提供了灵验的料理决议[1]。相变储能期间具有高储热密度、沉着职责温度、节能成果好等优点[2]，能克服热能供给和需求在时辰、空间和强度上的不匹配问题[3]，在低碳建筑、工业余热回收、可再生能源足下和电子元器件冷却等鸿沟具有宽阔的应用出息。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，制约相变储能期间止境系统的实行应用与发展[4]。

石蜡当作有机相变材料中究诘和应用最无为的一类，具有潜热值高、热物感性质沉着等优点，而其主要弱势为导热率低。低热导率终局了材料表里热能的扩散，松开了能量储存和温度休养的性能，通过应用翅片、热管等期间优化储能单元的结构不错达到提高换热遵循的目标。罗意彬等[5]通过开展不同畛域温度下的双翅片矩形相变储能单元的可视化现实，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料理了相变材料低导热率引起的换热成果较差等问题，举座蓄热遵循可提高8.02%。接管翅片结构或泡沫金属可改善相变储能系统的传热性能，但相变材料自己低导热性能的终局并未从根底上得到料理。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遵循，是当今最常用的妙技之一。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灵验热导率方面取得了巨猛进展。Babaei等[7]初度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究诘。Li等[8]通过现实与数值模拟，接管MWCNT——石蜡复合相变材料，究诘了添加纳米颗粒对卧式壳管潜热蓄热安装融化速度的影响。终局标明：在不同的畛域温度下，MWCNT对PCMs的融化速度有不同的影响。当传热温差为20 ℃时，0.05%的MWCNT能提高PCMs的融化速度；当传热温差为40 ℃时，0.10%的纳米颗粒权臣普及PCM的融化速度。Fan等[9]现实究诘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。终局标明，纳米填料的存在申斥了相变焓值，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，而相对增强的进度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成果最佳，导热统统提高了164%。Lin等[10]综述了提高相变材料导热统统的行为，包括添加高导热统统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灵验的行为。在各式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阐扬出更大的增强效应[11]；同期，碳基纳米颗粒的密度与PCM同样，这使得它在变成复合材料时不错具有素雅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篡改方面的应用出息也得到了详情。

但当今的究诘珍惜于添加高导热纳米颗粒对相变材料导热统统的普及，忽略了因纳米颗粒加入带来的潜热申斥以及液相材料黏度增多的影响。因此本文把柄材料特色选取了两种性能优厚的MWCNT和CNOs碳基纳米材料当作高导热介质，来改善石蜡导热统统低的问题。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，具有权臣的圆柱形结构以及较高的长径比，不错在相变材料中征阵线性传热旅途，然则容易发生团员，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沉着性[15]。CNOs也被称为“多层富勒烯”，是一种特有的碳同素异形骸，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具有特地的物感性质：高热导率、高电导率、高热沉着性以及比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，鉴识制备了一系列不同质地浓度的碳基纳米石蜡复合相变材料。通过现实，对比了MWCNT与CNOs提高相变材料热导率的才智，同期负责琢磨了两种纳米颗粒质地浓度对相变材料潜热和通顺黏度的影响律例，探明了纳米颗粒质地浓度与复合相变材料潜热值申斥及通顺黏度增大的量化相干。

1 现实材料与制备

1.1　现实材料

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

接管两步法制备纳米石蜡复合相变材料。以石蜡、MWCNT、CNOs为现实材料。最初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。建设时将适量的石蜡放入玻璃烧杯中，并将其在60℃恒温的水域中融化，鉴识将不同质地的MWCNT和CNOs加入熔融的石蜡中。接管油酸当作分散剂改善纳米颗粒的分散均匀性，其中油酸添加比例鉴识为1∶1.7和1∶3.5[18]。每种复合材料共配制100 g搀杂物。将复合材料在60 ℃的环境下恒温磁力搅动60 min，超声水浴中触动90 min，以赢得均匀的复合材料[19]。碳纳米颗粒在石蜡中的质地分数鉴识为1%、2%、3%、4%，制备经过如图1所示。

纳米复合相变材料制备经过

Fig. 1Nanocomposite phase change material preparation process

现实通过用TEM不雅测纳米材料，通过差示扫描量热仪、导热统统仪、正弦波振动式流变仪鉴识测量不同纳米颗粒浓度下的CPCM的相变温度和相变潜热、导热统统和黏度。现着实反复10次凝固融化轮回测试中，CPCM无肉眼可见的分层，诠释油酸分散剂的加入灵验地改善了CPCM的沉着性。但把柄关联学者究诘可知，复合相变材料在阅历屡次热轮回后，会出现纳米粒子的团员和千里降，这会获胜影响相变材料的导热性能，申斥使用寿命[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沉着性进行久了究诘。

2 现实测试及终局

2.1　MWCNT和CNOs的微不雅结构

鉴识取MWCNT和CNOs分散到酒精溶液中，进行45 min水浴超声触动后，取几滴分散好的液体，逐滴滴加在超薄铜网上，经过晾干后，鉴识拍摄高分辨形容。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，管径散播均匀，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

接管好意思国TA公司DSC2500型差示扫描量热仪，将纯石蜡与不同质地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鉴识为加入不同质地浓度MWCNT和CNOs的CPCM的DSC测试终局。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，诠释究诘的整个样品在放热凝固及吸热融化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鉴识为MWCNT-PCMs和CNOs-PCMs的相变潜热和相变温度。纯石蜡凝固和融化相变潜热鉴识为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地浓度的增多而减小，CNOs质地分数为1%时样品凝固潜热减小比例最小(0.8%)；CNOs质地分数为4%时潜热减少最多，凝固过程潜热减少16.4%，融化过程潜热减少16.3%。值得一提的是，在两种材料质地分数为2%时，凝固和融化过程的潜热比拟于1%时均有所增多。由于纯石蜡在相变过程中会开释或招揽潜热，纳米颗粒质地浓度的增大势必导致纯石蜡质地占比的减小，因此表面展望纳米颗粒质地浓度的增多将导致相变潜热的线性申斥。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电子变成多量的C—H⋯π键，故CPCM的相变潜热随纳米颗粒质地浓度变化呈现非线性变化趋势[21-22]。这一发现大致为料理碳基纳米添加剂引起的潜热申斥问题提供想路。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 ℃，诠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统统

接管中国夏溪公司TC 3100通用型导热统统仪，精度为±3%，鉴识开展固相和液相材料导热统统的测试，其中液相材料的导热统统测试在30~40 ℃温度下进行，固相材料的导热统统测试在10~20 ℃温度下进行，终局取屡次测试的平均数据。图6和图7鉴识为加入不同质地浓度的MWCNT和CNOs的CPCM液相时的平均导热统统和平均导热统统增长率。液相和固相纯石蜡的平均导热统统鉴识为0.1753 W/(m·K)和0.2812 W/(m·K)。两种纳米颗粒添加剂制备的CPCM导热统统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的平均导热统统，液相4% MWCNT-PCMs的平均导热统统达到0.2280 W/(m·K)，相干于纯石蜡材料增大了33.1%；液态4% CNOs-PCMs的平均导热统统为0.3167 W/(m·K)，相干于纯石蜡增大了80.7%。

液相MWCNT-PCMs平均导热统统及导热统统增长率

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

液相CNOs-PCMs平均导热统统及导热统统增长率

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

图8和图9鉴识为CPCM固相时的平均导热统统和平均导热统统增长率。固相石蜡导热统统高于其液相材料导热统统，添加纳米颗粒后固相材料的增幅愈加彰着。当质地浓度达到4%时，增幅有所申斥，诠释增幅峰值位于2%~4%。固相4% MWCNT-PCMs的平均导热统统达到0.7874 W/(m·K)，相干于纯石蜡增大了180.0%；固相4% CNOs-PCMs的平均导热统统为0.8322 W/(m·K)，相干于纯石蜡增大了195.9%。

固相MWCNT-PCMs平均导热统统及导热统统增长率

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

固相CNOs-PCMs平均导热统统及导热统统增长率

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

由以上测试终局可知，CNOs因其特地笼中笼结构，具有高比名义积，对石蜡分子的吸附力更强，成心于其在石蜡中的分散，从而变成更灵验的导热旅途，使得添加CNOs更成心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通顺黏度

接管奥地利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通顺黏度测试，屡次测试终局的平均值如图10和图11所示。整个CPCM的通顺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，故通顺黏度随温度的升高而申斥。跟着纳米颗粒的加入，CPCM的通顺黏度相干于纯石蜡材料均有所增多，由于CNOs特地的笼中笼结构，更大的比名义积和更强的吸附性格，导致加入CNOs样品通顺黏度的增长愈加重烈，在质地浓度为4%，30 ℃时通顺黏度高达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融化，轮回过程中存在液相材料内的当然对流传热，通顺黏度的增长将松开当然对流的强度，从而申斥此阶段内相变储能的总传热遵循，黏度的增长达到一定数值时致使可能对消导热统统增长带来的传热强化成果。因此需要蚁集导热与对流两种传热神气，以及应用场景的需求进行轮廓评价与遴荐。

30~60 ℃不同质地浓度MWCNT-PCMs的黏度

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

30~60 ℃不同质地浓度CNOs-PCMs的黏度

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

3 结 论

本职责接管两步法，以石蜡、MWCNT、CNOs为现实材料制备了一系列质地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、导热统统和通顺黏度的影响。

究诘终局发现，两种纳米添加剂制备的CPCM导热统统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统统鉴识为0.2280 W/(m·K)和0.7874 W/(m·K)，导热统统增幅达到30.1%和180%；4% CNOs-PCMs液相和固相材料平均导热统统鉴识为0.3167 W/(m·K)和0.8322 W/(m·K)，导热统统增幅达到80.7%和195.9%，固态导热统统增幅更大，且添加CNOs更成心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，出现了两个不成残忍的负面影响。第一，纳米添加剂的存在申斥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地浓度变化呈现非线性变化趋势，CNOs质地浓度为4%时潜热减少最多，为16.4%。第二，纳米添加剂的引入会带来通顺黏度的权臣增长，这将大幅松开CPCM融化过程中液相材料的当然对流强度，这种负面成果致使可能对消高热导率带来的传热普及成果。CNOs质地浓度为4%，30 ℃时通顺黏度高达19.98 mPa·s，相干于纯石蜡的4.53 mPa·s增大15.45 mPa·s。因此，后续究诘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、通顺黏度增长等提议轮廓评价盘算，为纳米添加剂种类和浓度的选取提供参考。

第一作家：陈莎（1996—），女，硕士究诘生，究诘标的为储能表面与期间，E-mail：chensha0513@163.com；

通信作家：孙小琴，教师，究诘标的为相变储能期间，E-mail：xiaoqinsun@csust.edu.cn。

本刊推选

（点击图片可跳转到相应著述书籍）

]article_adlist-->

邮发代号：80-732

量度热线：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