相变材料八水氢氧化钡应用基础研究

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结晶水合盐是熔点范围在0120 oC范围非常重要的一种相变储热材料,它具有储热密度高、相变时体积变化小、导热系数较大、来源广泛、成本低廉等多方面的优点。八水氢氧化钡(Ba(OH)2·8H2O)是该类相变储热材料中十分典型的结晶水合盐,具有以上优点且是目前已知储热密度最高(582MJ/m3)的结晶水合盐。它可以在家庭及工业采暖、工业余废热利用、生活用热水以及电子元件散热等领域广泛应用,因此,Ba(OH)2·8H2O是一种潜力十分巨大、应用前景非常广阔的相变储热材料。但是,到目前为止国内外关于Ba(OH)2·8H2O相变储热材料的系统性研究及分析报道相对较少,至今仍没有得到产业化应用。本文从相变材料在各领域实际应用的性能要求出发,通过理论分析及相关分析测试手段着重探讨了Ba(OH)2·8H2O在加热时的脱水过程,以及过冷和相分离的抑制、导热性能的改善等三个方面的问题。为了弄清相变材料Ba(OH)2·8H2O在加热时的相变过程并提高储热性能,本文首先利用差示扫描量热-热重联用综合分析仪(DSC-TGA)得到了Ba(OH)2·8H2O在25500℃内的DSC-TGA曲线,根据TGA曲线得出了实验所用Ba(OH)2·8H2O样品所含结晶水的比例,并推算出其实际所含结晶水的个数,同时结合DSC曲线进一步深入分析了Ba(OH)2·8H2O在受热升温过程中的详细脱水情况;根据Ba(OH)2·8H2O在25100℃内的DSC曲线,得出了实验所用Ba(OH)2·8H2O样品的实际熔点及相变潜热。另外,计算分析了Ba(OH)2·8H2O受热升温脱水过程的热力学平衡数据,从理论上分析验证了其熔化脱水过程。其次,本文考察了Ba(OH)2·8H2O储放热性能及添加成核剂和增稠剂的影响,对Ba(OH)2·8H2O结晶水合盐相变材料进行了100次熔化-凝固热循环实验。通过升降温温度-时间实验曲线、差示扫描量热法及X射线衍射分析,研究了Ba(OH)2·8H2O样品在100次热循环前后熔点及凝固点、相变潜热及物相组成的变化,综合分析了Ba(OH)2·8H2O的热物性、过冷性质及热循环稳定性;并且,尝试通过添加不同成核剂和增稠剂抑制Ba(OH)2·8H2O的过冷现象及改善其热循环稳定性,发现了二水氯化钡及羧甲基纤维素钠可以分别作为相变材料Ba(OH)2·8H2O的有效成核剂及增稠剂,当三者比例为99:1:1时,复合相变材料有效抑制了过冷现象且经过100次熔化-凝固热循环后的相变潜热衰减不足1%。最后,通过在Ba(OH)2·8H2O中添加石墨烯微片制备出了导热性较好的复合相变材料,并进行了熔化凝固热循环实验。利用升降温温度-时间曲线、扫描电子显微镜、导热系数测试、差示扫描量热法等分析测试手段探讨了石墨烯微片对Ba(OH)2·8H2O相变材料导热及储热性能的影响,发现添加石墨烯微片可以提高结晶水合盐Ba(OH)2·8H2O的导热性能。添加1.5wt%石墨烯微片的样品导热系数增长率为197.6%,性价比较高;而且,Ba(OH)2·8H2O在降温时易于在石墨烯微片的表面形成结晶,故添加石墨烯微片能够有效降低其过冷度。本研究为Ba(OH)2·8H2O相变材料的进一步研究与应用打下了良好的基础。
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