石墨烯/石蜡复合材料的热物理性能研究

为改善相变蓄热用石蜡的导热性能,通过向石蜡基材中掺杂微量的石墨烯制备石墨烯/石蜡复合材料。采用扫描电子显微镜、热传导分析仪和差式扫描量热仪等获取了复合材料的表观形貌、热导率、熔点和相变潜热等关键热物性参数,讨论了石墨烯质量分数对这些参数的影响。通过动态热响应实验,揭示了石墨烯质量分数和热源温度对复合材料热响应速率的影响规律。结果表明,与纯石蜡相比,石墨烯/石蜡复合材料的热导率得到显著提高。当石墨烯的质量分数由0.2%升至2.0%,复合材料的热导率由0.266 W·m~(-1)·K~(-1)提高到0.346 W·m~(-1)1·K~(-1)。复合材料的相变潜热与纯石蜡相比并未减小,且其热响应速率高于纯石蜡。     

载体表面修饰对芯材相变特性的影响

本文以金属有机骨架Cr-MIL-101和介孔二氧化硅MCM-41为载体,采用物理共混和浸渍法实现常规相变芯材十八酸(Stearic Acid,SA)和聚乙二醇(Polyethylene glycol, PEG)的有效复合。基于FT-IR、DSC对材料进行结构表征与相变特性测量。探讨孔道表面修饰对复合材料负载量以及结晶特性的影响,并借助分子模拟手段深入分析修饰基的作用机理和机制。研究表明,可通过修饰基强化载体-芯材之间相互作用以实现负载量提升;而载体-芯材之间相互作用力过强,则可能导致芯材在受限空间内运动被束缚,降低结晶率甚至无法结晶相变。本文研究意义在于明晰基于修饰基进行相变材料性能调控的原理并尝试提出可行的方法。     

铝纳米颗粒的热物性及相变行为的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟了纳米金属铝在粒径为0.8-3.2 nm 时的熔点、密度和声子热导率的变化, 研究了粒径为1.6 nm的铝纳米颗粒的密度、比热和声子热导率随温度的变化. 采用原子嵌入势较好地模拟了纳米金属铝的热物性及相变行为, 根据能量-温度曲线和比热容-温度曲线对铝纳米颗粒的相变温度进行了研究, 并利用表面能理论、尺寸效应理论对铝纳米颗粒熔点的变化进行了分析. 随着纳米粒径的不断增大, 铝纳米颗粒的熔点呈递增状态, 当粒径在2.2-3.2 nm时, 熔点的增幅减缓, 但仍处于递增趋势. 随着纳米粒径的增大, 铝纳米颗粒的密度呈单调递减, 热导率则呈线性单调递增, 且热导率的变化情况符合声子理论. 随着温度的升高, 粒径为1.6 nm的铝纳米颗粒的密度、热导率均减小. 该模拟从微观原子角度对纳米材料的热物性进行了研究, 对设计基于铝纳米颗粒的相变材料具有指导意义.     

掺杂石墨烯纳米片对硝酸钠相变特性的影响及机理

纳米增强剂通常被用来提升相变材料的导热性能,但这种方式通常伴随着复合后材料相变焓的降低.虽然这种降低难以避免,但其微观机理乃至影响规律却始终未能明晰.为深入探究纳米复合相变材料相变焓降低的机理,本文以熔融硝酸钠(太阳盐的重要组成成分)为相变材料,制备了石墨烯纳米片质量分数为0%,0.5%, 1%, 1.5%, 2%的复合相变材料.通过实验测量与分子动力学模拟的方法深入分析了石墨烯纳米片的掺杂导致熔融硝酸钠产生团簇以及复合材料熔点和相变焓非依数性降低的影响机理.结果表明,石墨烯纳米片质量分数为1.5%时,硝酸钠致密层和石墨烯纳米片间的质心等效距离最接近他们相互作用势的势阱位置,此时二者之间相互吸引作用最强,熔盐分子的运动受限最为严重,难以发生熔化,从而导致相变焓降低最为显著.为了最大限度地避免纳米复合相变材料相变焓的损失,应根据相变材料与纳米增强剂的类型及其相互作用类型,合理选择纳米增强剂的质量分数.在实际应用中,恰当的质量分数还将在一定程度上降低复合相变材料的制备成本.     

石墨烯气凝胶复合相变材料的热物性研究

相变材料利用其相变潜热能力可吸收储存和释放利用热量,同时在相变过程中其温度浮动小,能够实现温度控制从而用于热管理.但是其低热导率和易泄露问题严重制约了其性能.石墨烯气凝胶因其丰富的多孔结构而具有较大的比表面积,可吸附相变材料解决其泄露问题,同时石墨烯的高导热系数可提高相变材料的热导率.这里选取正十八烷为相变材料,制备了不同质量分数的石墨烯气凝胶复合相变材料.测得石墨烯气凝胶含量为13.99 wt%的样品,其导热系数比纯正十八烷高出306.2%,熔化潜热和凝固潜热分别下降了13.8%和10.8%.分子动力学模拟结果表明,石墨烯气凝胶的引入会在一定程度上增强正十八烷分子的有序性和一致性,即在同一温度下复合相变材料中的正十八烷分子比纯正十八烷分子拥有更集中分布的末端距和扭转角,径向分布函数和自扩散系数都相对较低,说明石墨烯材料的引入可以提升正十八烷的导热系数.     

低温纳米复合相变蓄冷材料热物性研究

低温相变蓄冷的关键是蓄冷材料的开发.本文针对啤酒工艺对冷源温度的要求,选择BaCl2共晶盐水溶液为相变蓄冷材料基液,在基液中添加粒径为20nm的TiO2纳米粒子,形成具有蓄冷功能的纳米复合材料.对其热物性如导热系数、相变潜热、相变温度、过冷度及粘度进行了实验测量和分析.结果表明,在TiO2纳米粒子的质量分数为1%的情况下,纳米复合蓄冷材料的导热系数比基液提高了11.28%,过冷度从3.97℃降为1.21℃,同时粘度增加了21.7%,相变潜热略有降低.     

木基生物质碳化骨架负载聚乙二醇相变材料及表面修饰对蓄传热性能的强化

以相变芯材为核心的复合相变材料的潜热储存技术,对解决可再生能源间歇性问题有着关键作用.本研究以天然竹木为原材料,使用高温碳化方法得到碳化竹木,并使其分别吸附氧化石墨烯和还原氧化石墨烯,最终与聚乙二醇(PEG2000)复合形成稳定的复合相变材料.实验结果表明,还原氧化石墨烯可以达到很好的包封率、热导率和光热转换效率提升效果.碳化竹木/还原氧化石墨烯/聚乙二醇三元复合相变材料包封率高达81.11%,熔化潜热为115.62 J/g,凝固潜热为104.39 J/g,热导率大幅提升至1.09 W/(m·K)(纯PEG2000的3.7倍),光热转换效率大幅提高至88.35%(纯PEG2000的3.1倍).     

分形结构纳米复合材料热导率的分子动力学模拟研究

提出了一基于Sierpinski分形结构的Si/Ge纳米复合材料结构,以调控纳米复合材料的热导率.采用非平衡分子动力学方法模拟研究了分形结构Si/Ge纳米复合材料的导热性能,给出了硅原子百分比、轴向长度以及截面尺寸对分形结构纳米复合材料热导率的影响规律,并与传统矩形结构进行了对比.研究结果表明,分形结构纳米复合材料增强了Si/Ge界面散射作用,使得热导率低于传统矩形结构,这为提高材料的热电效率提供了有效途径.Si原子百分比、截面尺寸、轴向长度皆对分形结构纳米复合材料热导率存在着重要影响.纳米复合材料热导率随着Si原子百分比的增加呈先减小后增加的趋势,随轴向长度的增加则呈单调增大趋势.     

低温下封闭空间内部氢的相变相平衡特性研究

为了研究低温下封闭空间内工质的相变相平衡特性过程,利用Fluent建立了薄壁微小球体的封闭空间二维模型,对该球体的相变相平衡过程进行传热传质数值仿真。获得了球体内部的温度场及相体积分数分布随时间变化的规律,发现在相变相平衡过程中,球体内外温差逐渐减小并趋于不变,能为相变提供冷量,使得液相的量近似呈线性增加;并且球体材料的热物性当中比热容对相变过程的影响最大,而热导率几乎无影响。     

石蜡-碳纳米管复合材料的热物性研究

为提高石蜡作为相变蓄冷材料的导热性能,制备了碳纳米管添加量分别为0%、1%、2%、3%、4%、5%的石蜡-碳纳米管复合材料,并对其热物性及稳定性进行实验研究。结果表明,随着碳纳米管添加量的增加,复合材料的相变温度基本不变,相变潜热逐渐减小,导热系数逐渐增大。在添加量为5%时,复合材料的融化和凝固相变潜热分别为128.2 J/g和134.4 J/g,比纯石蜡相对减小了15.5%和13.8%;固态和液态导热系数分别为0.487 W/(m·K)和0.516 W/(m·K),比纯石蜡相对提高了39.5%和40.3%,同时具有较好的循环稳定性。     

多壁碳纳米管/聚丙烯复合材料热导率研究

用Pt细丝代替已有3ω方法中的薄膜热线,并设计了基于Labview程序的虚拟测量系统,准确、方便地测量了聚丙烯复合材料的热导率. 测量结果发现,多壁碳纳米管/丁苯橡胶/聚丙烯三元复合材料的热导率随着多壁碳纳米管/丁苯橡胶粉末含量的增加变化不大;多壁碳纳米管/聚丙烯复合材料的热导率随着多壁碳纳米管含量增加而增大;复合材料热导率远小于简单混合规则预测的结果,而与有效介质理论符合很好. 关键词： ω法')" href="#">3ω法 多壁碳纳米管 聚丙烯复合材料 热导率     

BN&Al2O3/环氧树脂复合材料粘接层对LED灯结温的影响

自制BN/EP(环氧树脂)复合材料和Al₂O₃/EP复合材料作为LED灯PCB板和散热铝块之间的粘接层材料,采用精密钻孔的方法用高精度测温仪测量LED灯正常工作时的温度分布,讨论粘接层对结温的影响,并与COMSOL Multiphysics软件模拟结果进行对比分析。实验测量LED结温与模拟结温变化趋势基本一致,结温会随着粘接层厚度的增加而上升、随着粘接层复合材料热导率的增加先快速降低而后趋于平缓。最终得到PCB板和散热铝块间最佳粘接层厚度和粘接层复合材料配比,当BN的质量分数为60%时,BN/EP复合材料粘接层的热导率最高,此时LED结温为75.2 ℃,比纯环氧树脂粘接层LED的结温降低了27.6 ℃。而Al₂O₃/EP复合材料粘接层LED的最低结温为78.2 ℃,此时Al₂O₃的质量分数为50%。     

定向碳纳米管/橡胶复合材料导热性能研究

基于连续介质理论建立了定向碳纳米管/橡胶(CNTs/Rubber)复合材料的代表体积元(RVE)模型,借助有限元方法(FEM)进行数值计算获得复合材料的等效热导率。将数值计算结果与Nielsen模型与Ce-WenNan模型预测值对比,验证了模型的有效性。基于此模型研究了CNTs体积分数及界面热阻对复合材料导热性能的影响。研究发现,在低填充量(0.2%~1%)下,复合材料的热导率随着填充量的增加而增大,且增大幅度随着体积分数的增大而逐渐减小;界面热阻的存在阻碍了CNTs与橡胶基体之间的热传递,对复合材料的热导率有很大的影响,另外在不同体积分数下,随着界面热阻的增大,复合材料热导率都先开始减小,当界面热阻降低到一定大小时,复合材料的热导率随着界面热阻的增大都基本保持不变。     

高压烧结镀Cr、Ti膜金刚石/铜复合材料热导率研究

 采用磁控溅射方法,在金刚石表面镀覆活性金属Cr膜和Ti膜,在高温高压下合成了镀活性金属膜金刚石/铜复合材料。实验发现,活性金属的加入增强了金刚石与铜界面间的结合强度,减少了界面热阻,提高了复合材料的热导率。复合材料热导率随着金刚石体积分数的增加而降低,随着金刚石的粒度增大而提高。这主要是由界面热阻引起的,可以通过增大金刚石粒度和改善界面状态来提高复合材料热导率。     

基础实验试题A:相变材料比热容及相变潜热的测量

第9届全国大学生物理实验竞赛基础实验试题A为相变材料比热容及相变潜热的测量,本文介绍了实验任务、试题设计及竞赛结果分析.试题包括系统漏热测量、石蜡比热和相变潜热的测量及误差分析3部分.本题重点考查了学生对比热和相变潜热的基本概念、热传递基本方式、能量守恒定律、牛顿冷却定律、外推法修正漏热等知识和方法的灵活运用能力,物理建模的能力,实验方案设计、热电偶测温仪的使用和实验操作等理论联系实际的能力,以及数据处理和误差分析能力.结合调查问卷反馈的分析表明：选手实验操作相对较好,物理建模相对薄弱.     

改性CaCl2·6H2O混合相变蓄热材料的制备与特性

选用碳素材料(C)石墨(Gr)、石墨烯纳米片(GnPs)、多壁碳纳米管(MWCNTs)和SrCl_2·6H_2O (SCH)为改性剂添加至无机相变材料CaCl_2·6H_2O (CCH)中,制备出不同质量分数碳素材料的无机混合相变蓄热材料C/0.2%SCH/CCH,并表征混合相变材料性能。结果表明:混合相变材料液态导热系数随碳素材料质量分数增加均呈线性提高,其中2.0%石墨烯纳米片可将导热系数提高69.35%;XRD谱图表明碳素材料、SrCl_2·6H_2O和CaCl_2.6H_2O之间的混合都为物理作用;DSC结果显示随碳素材料质量分数增加,相变潜热逐渐降低;质量分数4.0%Gr、2.0%GnPs和2.8%MWCNTs将0.2%SCH/CCH 的放热时间分别减少了 18.0%、41.9%和 12.8%;4.0%Gr/0.2%SCH/CCH、2.0%GnPs/0.2%SCH/CCH 和2.8%MWCNTs/0.2%SCH/CCH在经历100次加速热循环实验后,相变潜热分别降至186 J/g、189 J/g和183 J/g左右,仍满足蓄热要求,混合相变蓄热材料具有良好的热循环稳定性。     

冷冻速率对蚕豆热物性变化规律影响的实验研究

研究了不同冷冻速率下蚕豆热物性的变化规律。利用Hot Disk得到蚕豆在-30～30℃下的热导率变化曲线;通过DSC和低温冷冻实验台,冷冻速率在5～80℃/min条件下将蚕豆切片进行冷冻实验,得到了不同冷冻条件下冻结点、结晶点及比热容的变化规律。测试结果表明:蚕豆热导率随着温度的降低先减小再增大;冻结点随着降温速率的增大而增大;蚕豆的结晶点在降温速率小于20℃/min时出现浮动,但总体上,结晶点随着降温速率的增大而降低。在不同降温速率下,比热容随温度的变化规律基本相同,但在冷冻相变过程中发生剧烈变化。通过对冷冻过程中蚕豆热物性的实验研究,为冷冻干燥种子的传热传质分析提供了实验数据的支撑。     

棕榈酸/膨胀石墨复合相变材料的制备及性能研究

棕榈酸是有机固液相变材料,本文通过添加膨胀石墨对其性能进行改善并采用扫描电镜(SEM)、差示扫描量热仪(DSC)、充/放热性能测试对制备出的膨胀石墨质量分数分别为1%,3%,5%,8%的棕榈酸/膨胀石墨复合相变储能材料的结构及热性能进行表征。结果表明,棕榈酸/膨胀石墨复合相变材料保持了膨胀石墨原来疏松多孔的蠕虫状结构,其相变温度与棕榈酸相似,相变潜热与对应质量含量下的棕榈酸相当;随着膨胀石墨添加量的增多,受到黏度和自然对流双重作用的影响,复合相变材料的蓄放热速率先减小后增大,因此适量的膨胀石墨可改善棕榈酸的传热性能。     

介孔二氧化硅基导电聚合物复合材料热导率的实验研究

本文首先制备并表征了介孔二氧化硅SBA-15、 填充导电聚合物的复合材料PANI/SBA-15和复合材料PPy/SBA-15, 并建立双流计实验台开展了材料压片情况下的热导率研究. 在测量得到复合材料热导率的基础上, 引入当量孔径, 结合测量孔径对 PANI/SBA-15和PPy/SBA-15复合材料热导率随填充量的变化进行了定性分析. 分析表明: PANI/SBA-15和PPy/SBA-15复合材料的热导率比基材SBA-15的热导率大得多; 在相同的测量孔径和当量孔径情况下, PANI/SBA-15复合材料的热导率比PPy/SBA-15复合材料的热导率大; 导电聚合物填充到复合材料孔道内和孔道外都有助于热导率的提高, 填充到孔道内比填充到孔道外对热导率提高的贡献更大.     

相变材料热物理性质的分子动力学模拟

为从微观尺度探寻相变材料的热物性变化机理, 本文采用分子动力学的方法, 构建了由正二十二烷组成的无定形结构的相变材料体系, 采用周期性边界条件以及COMPASS力场对相变材料的比热以及导热系数进行了模拟, 并对纯正二十二烷进行了DSC测试. 结果表明, 模拟所得的相变材料热容与文献实验值的偏差是6.5%, 熔点与DSC实验值的偏差是0.98%. 当温度为288–318 K时, 相变材料的导热系数在0.1–0.4 W·m^-1·K^-1 范围内波动, 且随着压力增大略呈下降趋势. 关键词： 扩散系数 比热 导热系数 分子动力学