纳米TiO2/丁四醇复合相变材料的制备和热学性能研究

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为解决航天器防热问题,需要开发更加高效强大的相变材料。丁四醇作为一种中温相变材料因具有高的相变焓而防热性能优越,应用前景巨大。本文提出一种新型的复合相变材料,微量纳米颗粒加入丁四醇相变材料中,能提高热导率从而促进相变材料融化速率,并能增加比热进而提高相变材料的蓄热能力。研究了纳米TiO2/丁四醇复合相变材料的制备工艺、组织和热学性能。用两步法制备稳定悬浮的纳米TiO2/丁四醇复合相变材料,研究纳米TiO2颗粒在丁四醇中的分散稳定性机理。去质子化后的三乙醇胺通过静电吸附在纳米颗粒表面,起到空间位阻和降低颗粒表面能的作用,提高了纳米颗粒的悬浮稳定性。X射线衍射分析和红外光谱分析的结果表明纳米颗粒与相变材料之间是物理结合。复合相变材料的结晶组织随纳米颗粒的体积分数增加而细化,同时纳米颗粒团聚增多。用差示扫描量热法(DSC)测量复合相变材料的相变点、相变焓和比热。测试结果表明,复合材料的相变点较原相变材料稍低,相变焓符合混合定律。讨论了固液态下的微观组织对复合相变材料热学性能的影响。TiO2/丁四醇复合相变材料在固态时具有高比热和高导热的特性,当纳米颗粒含量为0.2vol.%时,固态比热增加40%,热导率提高约30%。固态下,比热提高与因纳米颗粒引入而增加的有效界面面积相关,热导率异常升高受纳米颗粒形成的链状团聚影响。液态复合相变材料的比热在添加相为0.2vol.%时增加14%,但是热导率降低约8%。纳米颗粒在液态下分散良好具有高比表面积,使其与相变材料之间的界面热阻增大,一方面提高复合相变材料的比热,另一方面降低了热导率。防热实验和Ansys模拟结果均表明,当纳米颗粒含量为0.2vol.%时,复合相变材料具有最优的储热和防热性能。加载热流为8300W/m2,使用2mm相变材料进行防护经过2000s后,含0.2vol.%纳米颗粒的复合相变材料能使测试点温度从203C降低至151C,较纯丁四醇防热进一步降低4.78C。
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