【摘 要】
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能源是人类赖以生存的物质基础,是经济社会不断进步的发动机,然而,传统化石能源的过快消耗给人类带来了能源和环境双重危机,开发可再生能源和提高能源利用效率是解决上述危机的必由之路。相变材料能够以潜热的方式高效存储热能,是加强可再生能源开发和提高能源利用效率的关键材料,在余热回收、建筑节能、太阳能光热应用、电子元器件热管理等方面有着广泛的应用价值。但是,相变材料自身存在着泄露、热导率低和光热转化效率低的
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能源是人类赖以生存的物质基础,是经济社会不断进步的发动机,然而,传统化石能源的过快消耗给人类带来了能源和环境双重危机,开发可再生能源和提高能源利用效率是解决上述危机的必由之路。相变材料能够以潜热的方式高效存储热能,是加强可再生能源开发和提高能源利用效率的关键材料,在余热回收、建筑节能、太阳能光热应用、电子元器件热管理等方面有着广泛的应用价值。但是,相变材料自身存在着泄露、热导率低和光热转化效率低的问题,极大地限制了其大规模应用。为解决相变材料应用过程的几大瓶颈问题,本文旨在通过载体对相变材料进行封装,缓解其泄露问题,重点通过表/界面改性技术提高相变复合材料的热导率和光热转化效率,并揭开材料性能提高背后的内在机理。首先,以石蜡（PW）为相变材料,硅藻土（DT）为载体,通过原位还原沉积的的方法,使铜纳米粒子（Cu NPs）原位沉积到载体的表面和孔隙中,制备具有高热导率的硅藻土/铜复合载体,随后利用改性后的载体吸附熔融状态的石蜡制备石蜡/硅藻土/铜纳米粒子相变复合材料。通过对载体的形貌、结构分析,相变复合材料各组分间化学相容性和热物性测试,系统研究了导热材料Cu NPs对复合材料导热能力和储热特性的影响,结果表明,相变复合材料各组分间不发生反应,具有很好的化学相容性,同时,它们还具有良好的热稳定性与热可靠性,在其工作温度范围（50℃左右）内不会发生泄漏以及较高的潜热值（95.5 J/g）。最重要的是相变复合材料具有0.561 W/m K的热导率,比纯PW和PW/DT分别高出97.5%和32.9%。由于载体与导热材料间的吸附力有限,传统的原位还原沉积法只能使少量的导热材料沉积到载体上,大部分沉积到了烧杯底部,沉积效率比较低,未吸附在载体上或者仅仅是通过物理相互作用吸附在载体上的Cu NPs与载体之间产生了很大的界面热阻,阻碍了相变复合材料导热性能的进一步提升。此外,相变材料的光热转化效率低也限制了其在太阳能利用领域的应用。为进一步提升相变复合材料整体导热能力和光热转化效率,本论文又以聚乙二醇（PEG）为相变材料,氮化硼（BN）为载体,并利用聚多巴胺（PDA）对载体进行化学修饰,通过配位化学的原理提升原位还原沉积技术的效率,最终在载体表面成功沉积了具有珊瑚状的、多层紧密堆积的Cu NPs连续导热微纳结构,同时,载体和导热粒子以聚多巴胺为中介,通过化学键连接的方式结合,进一步减小了载体与导热粒子以及导热粒子自身之间的界面热阻,构建的连续导热网络提高了声子传导效率,因此相变复合材料整体导热能力显著增强。通过对载体改性前后的形貌结构,化学相容性及热物性进行分析,结果显示,PEG/BN/PDA/Cu的热导率高达5.741 W/m K,分别比聚乙二醇（PEG）和未经聚多巴胺修饰的样品提高了1788.4%和39.7%;另外,形貌分析和DSC测试共同表明,Cu NPs在载体表面连续均匀分布,同时增加了相变分子在载体表面的吸附位点和成核位点,进一步提高了相变材料的储热效率（14.0 J/g）,降低了过冷（3.7℃）;傅里叶红外光谱测试、XRD测试验证了相变复合材料各组分之间具有良好的化学相容性;泄漏试验、热重分析以及循环试验证实了相变复合材料优秀的防泄漏性能,热稳定性和热可靠性。令人意外的是,高导热能力和载体表面大量分布的光热转换基元（Cu NPs）促使PEG/BN/PDA/Cu展现出93.3%的光热转换效率,此外,利用塞贝克效应,使用热电发电机将经过光-热转换的热量用于发电时,能够稳定输出最高62 m A左右的电流,证实了其在太阳能光热应用领域的潜力。总之,报道的导热/光热增强型相变复合材料的综合性能优异,在热管理和太阳能利用领域具有较好的应用前景。
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