矿物基复合储热材料的制备与性能调控

【摘要】储热材料作为储热技术的核心已被广泛应用于太阳能光热领域：太阳能热发电、建筑节能、太阳能热水系统等节能减排产业。然而,储热材料的高成本制备限制这些终端产业的发展,从而影响太阳能光热技术的广泛应用。因此,迫切需求高性能储热材料的低成本制备技术。由于储热材料的基础研究欠缺,未能建立储热材料微结构与储热性能之间的关系,无法掌握储热材料性能调控的关键技术。矿物具有独特的结构、丰富的形貌、良好的热稳定性等原料优势,同时具备简单易得、价格低廉的成本优势。因此,通过发掘天然矿物的储热特性,将矿物与储热材料结合有望低成本获得高性能矿物基复合储热材料,并建立微结构与性能之间的联系,实现储热性能的调控。本论文利用矿物的结构与形貌特征,制备了矿物基复合储热材料,并通过矿物改型和组合技术增强材料的储热性能。采用X射线衍射分析(XRD)、扫描电镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)、原子力显微镜(AFM)、岩相分析、红外光谱(FTIR)、差式量热扫描(DSC)、热重(TG)以及N2吸附-脱附曲线等表征了材料的微结构,采用激光导热仪、热常数分析、低温DSC以及储放热平台评价了材料的性能。以赤铁矿为骨料、粘土为粘结剂以及高岭土尾渣为导热系数调节剂,采用混合、压制成型、自然干燥和焙烧等步骤,制备了新型显热储热材料,储能密度(Cp·ρ)可达2.18×106J·m-3·K-1；不同焙烧温度处理时,导热系数介于1.11-1.64W·m-1·K-1；采用高岭土尾渣作为调节剂,导热系数在1.42-1.92W·m-1·K-1范围内可调；通过表征粘土在焙烧过程的物相、形貌等微结构的变化,发现粘土的微结构直接影响材料导热性能,建立了矿物结构与导热系数之间的联系,从而揭示了矿物结构对储热性能的影响机制。选取三种不同形貌(片状、层状和棒状)的高岭土,采用真空浸渍法稳定石蜡,制备了定型复合相变材料：PK/paraffin、LK/paraffin和RK/paraffin。PK/paraffin的熔融和冷却潜热分别为107.2和105.8J·g-1;LK/paraffin的熔融和冷却潜热分别为94.8和93.0J·g-1；RK/paraffin的熔融和冷却潜热分别为84.1和82.7J·g-1。石蜡在PK/paraffin、LK/paraffin和RK/paraffin中的结晶度分别为96.1%、98.4%和87.9%。矿物形貌对储热性能的影响研究结果表明,矿物孔径小于5nm的孔容越小,石蜡的结晶度越高,其声子平均自由程越大,复合储热材料的导热性能越好。由此构建了高岭土微结构与储热性能之间的关系,进而查明了矿物形貌对储热性能的影响机制。以蛭石原矿为原料,热处理形成膨胀蛭石(EVM),并遴选合适的膨胀蛭石以真空浸渍法成功制备了EVM/paraffin复合储热材料。对比不同焙烧温度后膨胀蛭石的晶体结构、化学结构、光学特性以及微结构,证明了900℃焙烧的样品以具有高导热能力的金云母结构存在；考查复合前后膨胀蛭石热性能与微结构,证实了石蜡被成功装载至EVM中且复合过程中未发生化学反应,利用热循环评价其具有良好的热稳定和化学兼容性。EVM对石蜡的最大装载量为67%,EVM/paraffin具有高潜热值,熔化和冷却相变潜热值分别为135.5J·g-1和137.6J·g-1,导热系数为0.545W·m-1·K-1,石蜡的导热系数提升了121%。采用结构和碳纳米纤维(CNF)两种改型技术,考察矿物改型提升储热特性的机制,探究了矿物改型增强储热性能的机理。以膨润土(B)为支撑基体,通过真空浸渍法复合硬脂酸,制备了SA/B复合储热材料,添加石墨(G)提高SA/B的导热系数(SA/GB),为了协同提升导热系数和储热容量,对GB进行微波酸处理,形成新的支撑基体GBm并复合SA制备了SA/GBm复合储热材料。制备的新型复合储热材料SA/GBm熔化和冷却潜热值分别为84.64J·g-1和84.14J·g-1,比SA/GB和SA/B的潜热值分别提高了62%和75%。SA/GBm导热系数为0.77W·m-1·K-1,比SA/B和纯SA导热系数分别提高了31%和196%。复合物SA/GBm起始分解温度为240℃,明显高于SA/B和纯SA(208℃)。对比分析了微波酸处理前后孔结构的变化,发现微波酸处理扩张了膨润土的孔径,使其具备更大的SA储存空间和高结晶度,揭开了储热容量提高的原因。分析了膨润土／石墨／硬脂酸表界面,阐明了矿物组合增强储热性能的协同效应。本论文基于矿物资源精细化加工的学术思想,发掘矿物的储热特性,发挥矿物应用于储热材料的独特优势,开展了矿物基储热材料的应用基础研究；构建了材料微结构与储热性能之间的联系,实现储热材料的性能调控,为高性能储热材料的制备提供新思路,并展现矿物基功能材料的新方向。图74幅,表26个,参考文献192篇
【作者】李传常；
【导师】杨华明；
【作者基本信息】中南大学，材料科学与工程，2013，博士
【关键词】矿物；储热材料；微结构；性能调控；太阳能光热；

【参考文献】
[1]张雨明.我国农村物流体系发展研究[D].北京交通大学,2008.
[2]周立柱.数据库技术新进展及其在医疗系统中的应用[J].中国医院,2003,12:24-26.
[3]庄昀.基于RIE与AFM机械刻划的纳米结构加工实验研究[D].哈尔滨工业大学,机械制造及其自动化,2014,硕士.
[4]孙涛.模拟氮沉降对东北地区兴安落叶松人工林生态系统呼吸主要组分影响研究[D].东北林业大学,植物学,2014,博士.
[5]李世钧.对我国煤炭技术发展及其对策的几点认识与建议[J].河南煤炭.1985(02)
[6]林小菊.卡通形象元素对平面设计的影响[D].沈阳师范大学,美术学,2013,硕士.
[7]饶宏,宋强,刘文华,罗雨,许树楷,黎小林.多端MMC直流输电系统的优化设计方案及比较[J].电力系统自动化,2013,15:103-108.
[8]靳朝霞.基于CORBA的分布式多层体系结构在社保行业中的应用研究[D].河北工业大学,2003.
[9]李超.余氯在线检测系统的研究[D].北京化工大学,凝聚态物理,2013,硕士.
[10]宫斌.基于“游离态”的液固两相软性磨粒流的加工理论研究与数值模拟分析[D].浙江工业大学,2010.
[11]张松通.LiFePO_4锂离子电池耐过充/过放性能关键技术的研究[D].浙江大学,材料工程,2013,硕士.
[12]王梅.莲子心生物碱与丹酚酸B提取分离及其与生物大分子相互作用的研究[D].山东师范大学,食品科学,2013,硕士.
[13]徐莉.中小学教师专业化网络教研平台的设计与实现[D].黑龙江大学,软件工程,2012,硕士.
[14]赵松岭.河北省鲜活农产品流通模式优化策略研究[D].河北大学,企业管理,2014,硕士.
[15]张楚.中国特大恶性交通事故分析[D].长安大学,车辆工程,2014,硕士.
[16]崔巍巍.复差分方程解的性质与存在性的研究[D].山东大学,基础数学,2013,硕士.
[17]杨璐.动画表现方式的艺术性研究[D].武汉纺织大学,设计艺术学,2013,硕士.
[18]杨洋.修饰环糊精的分子组装及其生物活性研究[D].南开大学,2013.
[19]佘宗明.突发事件中媒体与受众互动研究[D].华中科技大学,新闻与传播（专业学位）,2013,硕士.
[20]江浩.面向相似性的时间序列表示与搜索方法研究[D].华中科技大学,2004.
[21]伍颖君.不同术前肠道准备对结直肠癌术后肠道菌群变化的影响[D].南方医科大学,外科学,2012,硕士.
[22]孙珑.论我国刑事禁止令的适用与完善[D].山东大学,法律（专业学位）,2013,硕士.
[23]伍俊良,刘飞.病态线性系统的控制模型设计及其迭代算法[J].控制与决策,2004,11:1315-1317.
[24]伍学农.湖南麓谷医药有限公司发展战略研究[D].湖南大学,工商管理,2012,硕士.
[25]蒋海燕.呼伦贝尔第四中学初三英语学困生阅读策略训练研究[D].内蒙古师范大学,学科教学（专业学位）,2012,硕士.
[26]杨雪莲.从叙事空间到第三空间：《仁慈》中的空间叙事艺术[D].烟台大学,英语语言文学,2014,硕士.
[27]冯毓琴.野生天蓝苜蓿坪用性状的研究[D].甘肃农业大学,草业科学,2003,硕士.
[28]薛方正,郭亿,李祖枢.加速度驱动型三关节体操机器人的动力学建模与分析[J].控制与决策,2011,06:821-825.
[29]陆风红.宁夏地区信息产业发展模式研究[D].华侨大学,企业管理,2003,硕士.
[30]檀艳萍.元素硒纳米颗粒抑制小鼠肝癌细胞增殖的尺寸依赖性[D].安徽农业大学,营养与食品卫生学,2012,硕士.
[31]丁远蓉.丙烯酸—丙烯酰胺共聚物/聚乙烯醇共混纤维的研究[D].天津工业大学,材料学,2004,硕士.
[32]邹静昭.运用信息技术整合健康评估课程的教学设计[D].河北师范大学,职业技术教育学,2012,硕士.
[33]郭成亮.负债期限结构与企业投资规模关系的实证研究[D].西南大学,企业管理,2014,硕士.
[34]宁宇杰.隐喻视角下的汉语隐语研究[D].曲阜师范大学,语言学及应用语言学,2013,硕士.
[35]陆凯诠.隧道温泉水桥面融雪化冰技术研究[D].长安大学,道路与铁道工程,2013,硕士.
[36]陈丽.中新集团财务管控问题研究[D].苏州大学,工商管理（专业学位）,2014,硕士.
[37]张小利,陈莉.数据挖掘在智能交通系统中的应用[J].西北大学学报(自然科学版),2005,06:687-690.
[38]邹青文.ZnO压敏电阻器的配方改进研究[D].西安电子科技大学,材料物理与化学,2012,硕士.
[39]池越.安全电子交易中的密码算法[D].河北工业大学,微电子学与固体电子学,2004,硕士.
[40]陈桂芳.煤在超临界水反应过程中的污染物迁移特性研究[D].山东大学,热能工程,2014,博士.
[41]曹亚平.东汉中后期品评人物风气之研究[D].江苏师范大学,中国古代史,2013,硕士.
[42]蒋大奎,李波,谭佳音.一类求解订单分配和排序问题的集成优化算法[J].控制与决策,2013,02:217-222.
[43]胡军.青藏高原湖泊表层沉积物磁化率特征及环境意义[D].兰州大学,环境科学,2013,硕士.
[44]瞿杰,李光文.中国石油地球物理勘探记事[J].石油地球物理勘探,1985,06:630-641.
[45]杜桂红.钢轨缺陷漏磁场分析及可视化技术研究[D].哈尔滨理工大学,模式识别与智能系统,2012,硕士.
[46]贾延勇.微量山梨醇三油酸酯对棕榈油结晶动力学影响[D].海南大学,食品科学,2014,硕士.
[47]向茂娟.安康市汉滨区全民健身运动开展现状调查与对策分析[D].西安体育学院,体育教育训练学,2013,硕士.
[48]张欣昕.美国总统演讲的隐喻分析[D].曲阜师范大学,外国语言学及应用语言学,2013,硕士.
[49]高丽娇.法官解释的限度[D].河北经贸大学,法学理论,2013,硕士.
[50]高云霞.幼儿园教育成本与收费改革的调查研究[D].湖南师范大学,学前教育学,2014,硕士.