金属锡基相变储热微胶囊的制备及储热特性研究

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利用相变材料的潜热储存与释放大量热量,温度却几乎保持恒定的特性,将其作为传/储热介质的相变储热技术,能够有效缓解可再生能源在开发利用过程中的供求不平衡的问题。但由于传统的熔盐和有机相变材料,自身的导热率低和相变潜热低或者稳定性较差的原因,严重限制了其在储能领域的广泛应用。金属及其合金作为相变材料,具有高导热率、高储热密度及良好的稳定性,是替代传统的熔盐和有机相变材料的有力候补。由于金属相变材料在相变过程中易发生泄露和高温腐蚀现象,因此,需要将其进行封装,制备成相变微胶囊,利用密实、稳定的壳层,隔绝空气,解决金属的泄露和腐蚀问题。以往的金属相变材料的封装主要为高温金属相变材料,对于中温金属相变材料的研究报道较少。对于如何开发出可以在中温环境下封装牢固性好、循环耐久性高的金属相变微胶囊仍然具有很大的挑战。为此,本文基于中温金属锡及其合金,研究其相变微胶囊的封装。首先,采用“水蒸汽/水煮+自氧化法”,成功地制备Sn@SnO2相变微胶囊,并采用XRD、SEM-EDS、EPMA和DSC等分析仪器,对其组成成分、微观形貌、核壳结构、反应机理和热物性等进行了表征。结果表明,Sn@SnO2相变微胶囊的相变温度约为232℃,相变潜热约为53 J/g。SnO2壳层的厚度约为1-2μm。而且100次循环后,各项性能保持完好,具有良好的循环热稳定性。其次,为了减少对金属锡的消耗,本文采用了“溶胶凝胶法+高温热处理”的方法,成功地制备出Sn@SiO2相变微胶囊。结果表明,Sn@SiO2相变微胶囊的SiO2壳层厚度约为2-3μm,相变温度约为233℃,在氧气下热处理获得的微胶囊的相变潜热约为56 J/g,且经过100次循环后,表现出良好的循环热稳定性。再次,针对壳层材料的导热性问题,本文同样采用“溶胶凝胶法+高温热处理”的方法,成功地制备出Sn@Al2O3相变微胶囊。结果表明,Sn@Al2O3相变微胶囊具有SnO2-Al2O3双层壳层结构,其厚度约为2-3μm,相变温度约为233℃,在氧气下热处理获得的微胶囊的相变潜热为52.0 J/g,在100次循环后,表现出良好的循环热稳定性。最后,为了获得不同相变温度的相变微胶囊,本文采用“水蒸汽/水煮+自氧化法”对Sn-Bi合金进行封装。结果表明,成功地制备出Sn-Bi合金相变微胶囊,其壳层组成成分为SnO2。水蒸汽和水煮处理最终获得的两种Sn-Bi合金相变微胶囊的壳层厚度分别约为1-1.5μm和1-2μm;相变温度均约为139℃;相应的熔化和凝固潜热分别为43 J/g和44 J/g、40 J/g和42 J/g。100次循环后,两种Sn-Bi合金相变微胶囊均表现出优异的循环热稳定性。综上,本文通过采用“水蒸汽/水煮+自氧化法”和“溶胶凝胶法+高温热处理”的方法,研究了中温金属锡及其合金的微胶囊封装,制备的相变微胶囊具有良好的循环热稳定性,这进一步增强了微胶囊化金属锡在中温储热中的应用前景。
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