石蜡纳米粒子复合相变材料的热性能测量和储热分析：比较和优化外文翻译资料

 2022-01-13 10:01

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石蜡纳米粒子复合相变材料的热性能测量和储热分析：比较和优化

摘要
相变材料（PCM）的热物理性质在潜热热能储存应用中是重要的。在高热通量水平下，PCM的不良导热性限制了其热控制性能。这个问题可以通过采用具有更好导热基质的复合材料来解决。此次研究采用SiO2，Al2O3，Fe2O3，ZnO等各种纳米粒子作为导热助剂，通过直接合成法制备改性石蜡样品。通过差示扫描量热技术测量相变温度，熔化和凝固潜热以及复合材料的热容量等热性质。使用扫描电子显微镜表征鉴定构成样品的组分和纳米颗粒在石蜡混合物中的分散的形态学性质。测试表明，通过在测试温度下增加纳米颗粒质量分数，复合材料的导热率和扩散率显著提高。对于含有Al2O3纳米颗粒的样品效果最佳，也观察到其潜热最低。总之，Al2O3纳米颗粒对于提高石蜡混合物的储热特性具有显著作用。

关键词：
纳米复合增强相变材料（NEPCMs） 热物理性质 纳米粒子 热扩散率
1.引 言
以适当形式存储能量并将其有效转换成所需形式是能当前量存储应用中的挑战。储能不仅减少了供需缺口，它还提高了能量系统的性能和可靠性，并在能量储存中发挥了重要作用。它还可以节省宝贵的燃料，使能源系统更具成本效益。
尽管存在各种热能储存方法，但由于潜热储存储热密度高、充放热过程中温度变化较小，是最有吸引力的方法。在潜热储存系统中，能量是通过相变储存起来的，其形式可以是固体到固体，固体到液体或液体到气体。
对纯链烷烃和石蜡的热特性进行了多次研究，表明了在多次熔化/凝固循环后，其热性能没有降低。除了低导热性的缺点之外，链烷烃几乎具有所有所需的性质，因此成为存储系统PCM的最佳原料。然而，在高热通量水平下，石蜡的低导热性限制了其热控性能。

有机PCM的低导热率（范围从0.1到0.6 W / mK）限制了材料的蓄热和释放速率。为了解决这个问题，通常在PCM中添加翅片构造和高导热性物质，如碳纤维和金属基质。 Jifen Wang等研究了通过添加TiO2纳米颗粒改善石蜡的热性能。 Ho和Gao利用非离子表面活性剂在石蜡中分散Al2O3纳米粒子，通过乳液技术制备纳米粒子嵌入式PCM，通过实验研究了其有效的热物理性质。 Teng和Yu报道了通过将石蜡与各种纳米粒子混合作为实验样品来制备纳米复合增强相变材料（NEPCM）。

尽管对PCM复合材料的导热性进行了大量研究，但基本上缺乏关于含有不同质量分数的纳米颗粒的各种复合材料的热物理性质比较的信息。此次研究的主要目的是对纳米粒子浓度对有效热性能的影响进行全面的实验研究，包括热导率，热扩散率，相变温度和石蜡PCM的潜热。在该研究中，将各种金属氧化物纳米颗粒添加到石蜡混合物中并研究它们的热学行为。本研究的结果可以作为基于PCM的热管理系统的设计和操作的指南。
2.实 验

2.1实验原料
液体和固体石蜡分别购自Merck和Sigma Aldrich。粒径为11nm和20nm的Al2O3，Fe2O3和SiO2纳米颗粒购自US Nano Company，ZnO纳米颗粒由Neutrino Nanovation提供。这些材料的特征列于表1，表2中。此外，十二烷基硫酸钠和十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）也购自Merck。

2.样品制备

选择由60wt％固体和40wt％液体石蜡制成的混合物作为空白组（无颗粒）PCM。将石蜡加热至高于熔融区的温度，然后按所需的质量比与液体石蜡混合，再将所得混合物置于超声波（Ultrasonic Cleaner Soner 203H，Laftech，Australia）中，在高于石蜡的熔点的温度保持45分钟，以确保形成均匀的混合物。 PCM在称重之前需要固化，以减少由于PCM粘附到容器而导致的误差。之后称量纳米颗粒和表面活性剂，精确度为plusmn;0.001g，然后使用磁力搅拌器在强剪切混合下将纳米颗粒、表面活性剂和熔融的石蜡混合75分钟。最后，将样品在超声处理浴中在高于石蜡混合物熔点的恒定温度下均化，以获得均匀的样品，然后使得到的悬浮液在室温（20℃）下结晶，形成均匀的固体复合样品。样品在约2小时内完全固化，表3列出了合成样品的组成。必须注意的是，在所有图和表中，含有五种纳米颗粒的组合的样品标记为“五”。


使用光谱仪（6300vis。，JENWAY，UK，精度plusmn;1％T（透射率），分辨率0.1％T）在试管中测量纳米复合增强相变材料（NEPCM）在820nm处的上部和下部的反射率。所检测的试管部分之间的反射率的微小差异表明高悬浮稳定性。 在该研究中，假定NEPCM试管的上部和下部之间的反射率差异小于5％为NEPCM悬浮稳定性的量度。 NEPCMs与Al2O3，Fe2O3，SiO2（11nm），SiO2（20nm）和ZnO五种纳米粒子的反射率差异分别为1.9％，2.1％，2.9％，3.2％，3.3％和4.1％。

  1. 颗粒和复合材料的表征
    使用扫描电子显微镜（MIRA3 FEG-SEM，Tescan，Czech，分辨率lt;2nm）表征识别构成样品的组分和纳米颗粒在石蜡混合物中的分散的形态学性质。
    使用数字电导率仪（Sahand Co.，Iran，温度控制精度：plusmn;0.01℃，绝对热导率精度：plusmn;3％）测量纳米复合PCM样品的有效导热率，使用Pt /镀铂电极采用瞬态热线法，对来自每个样品的不同批次的多个样品进行热导率测量，在固定温度下对每个样品重复测量五次，并在此报告平均值。
    通过差示扫描量热法（DSC）（Mettler Toledo DSC 822E / 400，瑞士，在室温下的分辨率0.04mu;W（温度范围），温度精度plusmn;0.2°）测量石蜡的热性质，包括熔融温度，熔化和凝固的潜热以及热容量，测试温度范围为20℃至100℃，加热速率为10℃/ min。
    3.结果与讨论
    3.1 纳米粒子和复合材料的结构
    通过扫描电子显微镜（SEM）研究样品的形态、结构、分布和粒度。 图1显示了一些样品的形态。


图1.（a）SiO2纳米颗粒（11nm）和混合（b）2wt％SiO2纳米颗粒（c）6wt％SiO2纳米颗粒和（d）8wt％SiO2纳米颗粒的石蜡混合物的SEM图像。
该图显示了以不同比例掺杂和分散在PCM中的SiO2纳米颗粒。 对于样品5.d（SiO 2-11nm-8wt％），获得具有较小颗粒和良好分布的最清晰的形态， 这是由于SiO2的网络结构被插入石蜡中。
3.2 复合材料的热性能
3.2.1 复合材料的DSC分析
通过DSC分析以研究纳米颗粒的存在对PCM复合材料的相变温度和潜热储存能力的影响。典型的DSC曲线如图2，图3所示。

图2.无纳米颗粒（空白）石蜡的DSC图（缩写“exo”代表放热过程。）。

图3.含有SiO2纳米颗粒（20nm）的NEPCM与熔融过程中坯料的DSC曲线的比较，a：空白组，b：2wt％SiO2，c：4wt％SiO2，d：6wt％SiO2和e：8wt％SiO2

图2与纯石蜡样品的DSC有关，该样品在20至100℃的温度范围内进行测试。较低(向前)曲线清楚地显示了熔炼过程中的过渡、起始、峰值和终末设定温度。熔炼完成后, 对相变材料进行冷却凝固过程, 并对凝固过程进行了概述。缩写 'exo' 代表放热, 表明正向曲线与石蜡在过程中储存能量的熔融过程有关。上(向后)曲线与凝固过程有关, 在凝固过程中, 石蜡在凝固过程中释放储存的能量。

3.2.1.1相变温度
为了比较NEPCM与不同添加剂和浓度的熔融特性，所有样品的相变温度绘制在熔化过程的图4，图5，图6，图7中。
熔融转变温度与纳米颗粒的质量百分比如图4所示。可以看出，转变温度的最大和最小降低分别为含有2wt％Fe2O3纳米颗粒（16.62％）和ZnO纳米颗粒（1.23％）的样品；对于4wt％的浓度，观察到含有SiO2（20nm）的样品降低程度最大，其值为16.92％。该浓度的一项重要观察结果是样品7.b的熔化温度暂时升高，约为3.07％。在具有不同浓度的所有样品中，观察到含有8wt％Al2O3的样品的显著下降，其显示熔化温度下降18.46％。

图4.熔融过程中NEPCM的转变温度与纳米颗粒的质量分数。

图5描绘了各种纳米复合材料的起始温度与熔融过程中纳米颗粒的质量百分比。 在除4wt％SiO2（20nm）之外的所有情况下，可以观察到起始温度的显著升高。 当在较低温度下熔化时，SiO2（20nm）的性能也是合理的，含有5种浓度为4wt％的纳米颗粒的样品表现出温度升高达最大值（25.93％）。

图5.熔化过程中NEPCM的起始温度与纳米颗粒的质量分数。
熔化过程中峰值温度与纳米颗粒负载的变化可以在图6中观察到；纳米颗粒百分比的增加导致该温度升高，这可能源于适当的尺寸和颗粒的均匀分布。具有线性形状的最佳上升趋势是包含所有五种纳米颗粒的样品。 此外，ZnO的适当和最佳浓度为4wt％。样品6.c和7.a的最大和最小温度升高分别为21.58％和2.31％。

图6.熔化过程中NEPCM的峰值温度与纳米颗粒的质量分数。

不同样品的终止温度如图7所示。在样品3.a和3.b中，与空白相比，终点温度升高。在其他样品中，与空白相比，该温度显示出下降趋势。样品Fe2O3（2.a）的降幅最大，为12.92％。而且，含有ZnO的样品，即4.a，4.b和4.c已显示出中间值。在浓度为8wt％时，样品4.d显示出下降幅度最小，即1.54％。

图7.熔融过程中NEPCM的终止温度与纳米颗粒的质量分数。

3.2.1.2潜热
潜热储存是储存热能的有效方法。纳米颗粒的添加往往会降低能量存储容量，因为它们通常对熔化潜热没有作用。
图8描绘了在熔化过程中NEPCM的潜热与纳米颗粒的质量百分比的变化。在大多数情况下，随着纳米颗粒含量的增加，潜热经历非线性下降。最明显下降的是样品2.d，下降了65.04％，这可以源自Fe2O3纳米颗粒的强磁性。样本3.d的最低下降16.58％。纳米复合材料的潜热不一定小于纯石蜡，如样品6.a所见。在其他地方也观察和报告同样的行为。

图8.熔化过程中NEPCM潜热的比较。
凝固过程中NEPCM的潜热变化与纳米颗粒的质量百分比的关系如图9所示，增加纳米颗粒含量导致所有样品的潜热下降。对于样品2.d和5.d，最明显和最轻微的下降分别为69.27％和25.74％。

图9.凝固过程中NEPCM潜热的比较。
石蜡-纳米颗粒复合材料的潜热低于纯石蜡的潜热，这主要是由于复合PCM中石蜡的质量分数降低，通常，至少有两个因素导致复合材料中的潜在容量变化，一个是石蜡分子和纳米颗粒之间的相互作用，这增加了复合材料的潜在容量。另一种是纳米颗粒，其在复合熔化或凝固过程中不经历相变以吸收或释放一部分潜热。因此，当第一因子强于第二因子时，复合材料的潜热容量增加，反之亦然。
3.2.2复合材料的导热系数
导热性是PCM的重要特性，因为能量储存或释放的速率明显取决于该因素。PCM用于具有温度变化的环境中的热能存储，因此测量PCM的导热性是很重要的。测得的热导率如图10所示

图10.NEPCM与纳米颗粒含量的热导率变化。
结果表明，NEPCM复合材料的导热系数高于纯石蜡。热导率的提升主要归因于纳米颗粒的高导热性。从该图中可以明显看出，随着纳米颗粒的质量分数在测试温度下增加，复合材料的热导率显着提高。
如在图10中可以观察到的，导热率的最大增加是含有浓度高于4wt％的Al2O3的样品。在浓度为2wt％时，观察到含有所有五种纳米颗粒的样品的最大热导率（0.724W/mK）。在此之后，该样品的导热率经历了轻微下降，可用于需要温和变化的特定情况。观察到的另一个值得注意的现象是，在4wt％组成时，除Al2O

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