Nanofilled粒子形式和分散模式对碳基储能复合材料的性质

文摘

如何提高相变材料的导热系数(潜热)总是热控制技术的关键。目前,吸附石蜡的导热系数两个方面改善:一是矩阵填充高导热系数,另一个是填充纳米颗粒。结合两种方法后,选择nano-SiO填补₂,碳纳米管或石墨烯(国民生产总值)有不同的对碳基储能复合材料的性能的影响。用泡沫填充石蜡碳增加纯石蜡的导热系数从0.25 W / (m·K) 8.3083 W / (m·K),增加了33.2倍。当纳米颗粒质量分数为5%,国民生产总值的焓复合材料是10 J·g¹不到SiO₂复合材料。在相同质量分数,而SiO的导热增强效应₂复合材料,碳纳米管的热导率增加影响,国民生产总值复合材料热导率增加的6.7和15.8倍SiO₂分别复合材料。理论和实验值的比较表明,不同的纳米颗粒形式和分散模式有不同的影响碳基储能复合材料的性能,其中国民生产总值有最大的提高碳基复合材料的热导率。

1。指令

相变储能材料的基础研究相变储能技术(1,2]。选择适当的个pcm都是至关重要的。目前,石蜡与化学稳定性的优点,没有过冷,没有毒性,相变潜热高、廉价等已成为常见的PCM。然而,石蜡等问题在相变过程中热导率低,这使得它的热导率。它不能结晶和释放热量在相变温度、时间影响相变热控制系统的性能。严重的是,它甚至可以导致热控制系统故障(3]。

因此,一个重要的基础研究工作在能源存储技术是相变储能材料的发展4]。使用纳米粒子填充相变材料在提高热导率方面取得了许多成果。第一个方法是纳米粒子填充吸附(5,6]。阿明et al。7]研究了影响纳米颗粒的物理和热性能的材料。DSC分析表明,潜热0.3 wt。%蜂蜡/国民生产总值增加了22.5%。0.3 wt的导热系数。%蜂蜡/国民生产总值是2.8 W / (m·K)。蜂蜡的潜热和热导率提高了国民生产总值nanoflakes的存在。因此,蜂蜡/国民生产总值有潜力减少建筑能源消耗。Jesumathy et al。8)设计了一种能量存储系统使用嵌入纳米氧化铜(错)粒子研究石蜡的热性能。在这项研究中,40 nm措粒子平均粒径为2%,5%,10%是分散的吸附。结果表明,随着CNEPs的质量分数的增加,导热系数增加了6.7%和7.8%的液态和动态粘度的5.14%和30%。复合材料的热导率增加了1.3倍。在最大流量,在凝固传热系数增加了78%左右。这表明石蜡添加氧化铜纳米颗粒在复合材料有效地促进传导和自然对流和石蜡。第二种方法是填个pcm都变成一个高导热矩阵(如石墨泡沫(CF20) [9,10),“血管”树脂复合材料(11])。黄等。12准备一个十四烷基醇(MA) /金属泡沫复合相变材料真空渗透。马作为相变材料,金属泡沫作为骨架。比较是用泡沫镍和铜泡沫。泡沫金属孔隙大小的影响对其热性能进行了分析。与纯马相比,金属的熔化潜热泡沫复合相变材料(CPCMs)是减少3 - 29%。此外,复合材料具有良好的热稳定性和对PCM泡沫金属具有良好的吸附效果。测试复合材料的热导率和热导仪(中医),和结果表明,MA /泡沫金属复合材料具有良好的热导率。上述方法都有效地改善吸附的性能。

结合使用这两种方法协同增加复合相变的热导率(13]。Nada et al。14微碳纳米管添加到一个paraffin-CF20矩阵实现协同增加导热系数。然而,目前还没有做过任何研究纳米粒子的影响在不同的粒子形式复合吸附石蜡的导热系数。纳米颗粒增强的机制协同PCM热导率尚不清楚。在这里,我们探讨这一科学问题通过分析纳米粒子的影响形式和分散在复合吸附石蜡的导热系数。发现在相同质量分数、SiO的凝固与熔化焓₂复合,复合不同,SiO国民生产总值₂、碳纳米管以及国民生产总值有非常不同的热导率增强的复合材料,随着内容的增加,增加相应的热导率也明显不同。因此,在同样的质量分数,不同的粒子形式和纳米颗粒的分散模式将产生巨大的影响复合材料的热导率的变化,它将作为未来研究的参考。

2。材料

纯度为99%的石蜡融化后,0 wt。0.5 wt %。wt %, 1。2 wt %。wt %, 5。%纳米颗粒填充,和修改的PCM通过摇晃混合均匀。使用模板方法准备多孔泡沫碳的孔隙度85%,平均孔隙大小为400μm。修改后的石蜡浸渍到CF20真空下,泡沫碳的吸附毛孔,和凝固的paraffin-nanoparticles准备CF20样本,即形状相变储能复合材料。

选中的纳米材料的相关参数如表所示1。

纳米粒子的分散的特点是场发射扫描电子显微镜。复合材料的热导率是衡量激光方法。纳米材料相互混合均匀。

3所示。结果与讨论

3.1。粒子的形式对碳基复合材料性能的影响

纳米颗粒的作用形式的属性paraffin-CF20复合材料主要是反映在导热系数和凝固熔化焓。图1(一)表明SiO的微观结构₂主要是球形。碳纳米管主要是二维管状结构在图1 (b)。理论上,热流将在碳纳米管的径向方向迅速传播,类似于电流的快速传输以及较低的铜导线电阻的方向。

国民生产总值与皱纹在图一个表结构1 (c)。与碳纳米管相比,国民生产总值的正面和背面都接触大量的国民生产总值分子,大大降低了接触热阻。国民生产总值通常将皱纹在复合材料(15,16]。国民生产总值是很容易形成一个连接网络结构在PCM和具有良好的分散,这有助于提高复合材料的热导率。高导热系数的国民生产总值的方向是沿层扩展方向。这意味着热可以快速转移国民生产总值,从而大大提高了导热系数。但事实上,尽管他们的理论热导率非常高,热导率测量后填充石蜡/ CF20(制服)并不像预期的那样高。其中一个原因是粒子的不同形式。为了说明粒子形式对导热系数的影响,医学分子动力学模拟执行。

首先,建立了石蜡分子模型,如图2。石蜡的熔点是58-60°C。因此,C₂₇H₅₆烷烃碳数为27日,是创建一个模拟分子材料工作室,与空间的体积 。

然后,Packmol软件被用来创建一个适当大小的盒子来填补这一分子。对石蜡分子,适当的盒子是一个5纳米立方体单元细胞(的长度、宽度和高度大于原始分子)。当创建一个混合系统,先将纳米粒子在某一地区创建在这个立方空间;这次实验是直角坐标系统,和纳米颗粒被放置在中心区域的整个立方晶胞。

确定晶体电池盒后,C的密度₂₇H₅₆0.88克/厘米吗³,所以石蜡分子的数量5纳米立方体的计算:

摘要热线法测量导热系数,当试样固体、PCM融化为液体,液体的流动将大大提高导热系数,这是超出了微观传热模拟的范围。因此,本文使用固体石蜡的分子动力学模拟。

继续构建纳米颗粒模型,如图3。

建立5纳米立方体,它需要扩展的 - - - - - -方向了。碳纳米管或国民生产总值分子晶体纳米颗粒的长度超过30。为了避免分子超过盒子的大小在后续实验中,模拟盒子大小必须扩大 。

混合模型后得到扩展,如图4。

双方的模拟箱,分别配有恒温热源和恒温冷源。粒子的热模拟的非平衡状态会被转移 - - - - - -方向,产生不可逆转的热流。计算这种定向热流,使用傅里叶导热系数的定义(17,18]: 在哪里热流密度吗 - - - - - -方向,是温度,是厚度,是热流,横截面积是垂直于热量流动。

之前创建的盒子的导热系数模拟Lammps集成步骤0.5步伐和2000000步伐的总时间。PCM的仿真温度300 K(固态)在室温下。500000步伐之后,计算热导率往往是稳定的,这证明了放松平衡粒子能量法与500000年步伐是可行的。根据计算2000000步伐,石蜡的导热系数是0.1306 W / (m·K)和碳纳米管的国民生产总值是0.2733 W / (m·K)和0.3425 W / (m·K) 5 wt。分别为%。

一个热门领域设置模拟框的左侧,和一个寒冷地区设置右边。温度分布不收敛,如果温差太低了。在这个模拟、左右之间的温差是85 K,左边是190.8 K,右边是115.5 K。固体石蜡能保持形状在这个温度,系统温度趋于稳定后2000000步伐。

导热系数的结果获得通过应用一端热源模拟图5。

模拟paraffin-GNP导热系数是1.5乘以paraffin-CNTs的导热系数和热导率的2.5倍paraffin-SiO₂在5 wt。%,这表明特定粒子形成影响paraffin-nanoparticles的导热系数。

另一方面,纳米颗粒的填充也影响吸附石蜡的相变焓在凝固和融化。传统的成核理论(19,20.)是基于吉布斯理论描述了新阶段的形成均匀单相。这一理论已经成功地解释了许多实验现象。

关键的核半径 ,和成核能源 。这表明不同的粒子有不同的摩尔质量 ,不同的饱和浓度 ,和不同的密度。所需的成核的能量也不同。相对,在固化的复合相变焓或融化将被改变。在这里,我们比较SiO的焓值₂国民生产总值和填充复合材料具有相同质量分数的影响来说明不同的粒子形成复合相变储能材料的性能。

在DSC曲线,曲线上材料熔化过程,较低的曲线是材料凝固过程。“纯”的图标代表纯粹的PCM,和百分比代表包含纳米粒子的复合相变材料的质量分数。纯石蜡的熔化焓是207.2 J / g和凝固的焓是206.0 J / g。数据6(一)和6 (b)表明焓融化和凝固的焓GNP-filled复合材料是最小的,分别176.2 J / g和178.9 J / g。

数据6 (c)和6 (d)显示的DSC曲线paraffin-nanoparticle-GNP样品和复合PCM仍保持良好melt-solidification属性。添加CF20,相变潜热样品显著降低,与纳米粒子含量的增加,相变潜热进一步减少。没有纳米颗粒的熔化焓paraffin-CF20样品是155.6 J / g,冻结焓是153.1 J / g。添加纳米颗粒后,复合材料的熔化焓和凝固焓充满了国民生产总值是最低的,而146.3 J / g和145.9 J / g,分别。

结果表明,当石蜡填充CF20,复合储能材料的焓降低约50 J / g,因为CF20不参与能量储存。同样,填充nano-SiO之后₂国民生产总值,焓的复合材料也将减少,但质量分数为5%时,paraffin-GNPs-CF20低于两个的焓变;值是10 J / g。paraffin-GNPs-CF20焓降低更多。这是因为复合PCM凝固时,纳米粒子会结晶,需要吸收能量;复合PCM融化时,纳米晶体分散和也需要吸收能量。因为两个参与PCM凝固或融化的过程中,所需的成核能源不同,国民生产总值需要更多的能量来泡核石蜡。

3.2。分散模式对碳基复合材料的热导率的影响

纳米颗粒的分散改性PCM / CF20在相同质量分数主要反映在不均匀分布的粒子和粒子的分布不同。为了解释色散的影响模式paraffin-nanoparticle-CF20的热导率,我们选择了“island-network”导热复合模型和麦克斯韦模型(21,22]预测paraffin-nanoparticle-CF20复合材料的热导率。“island-network”模型方程公式如下:

的公式,是聚合物的导热系数,是填料的导热系数,是复合材料的热导率,是粒子的体积分数。low-filling导热聚合物基复合材料,它没有填充物之间的交互,他们分布在矩阵的形式“群岛”,这是“岛”模型。

麦克斯韦模型公式如下:

的公式,是聚合物的导热系数,是填料的导热系数,是复合材料的热导率,是粒子的体积分数。Maxwell-Eucken模型描述复合材料的热导率由粒子没有相互交互,均匀分散在矩阵。这个模型适用于预测复合材料的导热系数与填料含量低于30 vol. %。复合储能材料的体积测量50厘米³,石蜡的密度是0.88克·厘米³,泡沫炭的密度是2.2克·厘米³,纳米材料的密度如表所示1。获得的实验数据和预测数据如下。

显然在数字7(一)和8(一个)这两个模型更准确的预测nano-SiO的导热系数₂复合材料。然而,paraffin-SiO的预测价值₂-CF20 paraffin-CNTs-CF20图7 (b)不匹配,都是高于实验值。paraffin-GNPs-CF20更高的实验值。这是因为“island-network”模式(串联模型)认为它没有填料之间的相互作用是均匀分布,它基本上是用来预测复合材料的热导率的下限。由于石蜡和CF20组合,整体结构更加复杂。从模型公式,它表明的增加的减少 ,预测复合材料的热导率的价值会更偏向的计算结果 ,所以的导热系数的预测增加paraffin-GNPs-CF20没有实际的导热系数增加修改的国民生产总值。

在图8 (b),复合材料的热导率预测Maxwell-Eucken模型显然高于实验值。这是因为Maxwell-Eucken模型适用于热导率模型不均匀分布的均匀球体齐次矩阵,但在实践中,纳米颗粒的分布不是均匀的,和纳米粒子之间的相互作用和CF20也存在。例如,当碳纳米管填充石蜡然后沉浸在CF20,不规则分布的碳纳米管布将缠绕自己,如图8 (b),大大降低了Maxwell-Eucken模型的预测效果。

CF20结构增加石蜡的导热系数从0.25 W / (m·K) 8.3083 W / (m·K),增加了33.2倍。paraffin-SiO的导热系数₂-CF20在图7 (b)从0 wt减少0.02%。5 wt %。%,然后增加随着质量分数的增加。这是因为当SiO₂纳米粒子只是补充说,少量的粒子将接触热阻增加,粒子之间的差距变得大,没有达到提高热导率的影响。随着质量分数的增加,差距变得越来越小,接触热阻减少,和热导率开始增加,但最终复合材料的导热系数不显著增加由于nano-SiO导热系数低₂粒子。随着碳纳米管的增加从0 wt。2 wt %。%,热导率增加0.0142 W / (m·K),但是当从2 wt增加内容。5 wt %。%,导热系数只增加了0.0107 W / (m·K)。国民生产总值的理论热导率应该很高,但实际百分比增加导热系数前提这一数字只有4.71%7 (b)从0 wt变化。% 5 wt. %。

4所示。结论

基于paraffin-CF20复合储能材料,不同的纳米粒子填充获得三个新的复合材料。实验数据和仿真数据的两种模型进行比较获得的结论,在相同的纳米颗粒质量分数不同的粒子形式和分散方式对复合材料的性质有不同的影响。

4.1。粒子的形式

MD模拟,模拟paraffin-GNP导热系数是1.5乘以paraffin-CNTs的导热系数和热导率的2.5倍paraffin-SiO₂在5 wt。%,这表明特定粒子形成影响paraffin-nanoparticles的导热系数。同时,成核理论用来解释粒子形成的焓的影响复合相变储能材料。质量分数为5%时,焓变的paraffin-GNPs-CF20比其他两个更低;值是10 J / g。

4.2。扩散模式

不同的分配模式导致不均匀分布和不同分布状况,及其对热导率的影响也不同。用泡沫填充石蜡碳增加纯石蜡的导热系数从0.25 W / (m·K) 8.3083 W / (m·K),增加了33.2倍。paraffin-SiO的导热系数₂从0 wt -CF20减少0.02%。5 wt %。%,然后增加随着质量分数的增加。下5 wt。%,而SiO的导热增强效应₂复合材料,碳纳米管的热导率增加影响,国民生产总值复合材料热导率增加的6.7和15.8倍SiO₂分别复合材料。SiO导热系数的实验数据₂国民生产总值、碳纳米管和复合材料不同于“岛”的数据模型和麦克斯韦模型理论。国民生产总值复合材料热导率最高,高于理论两个模型的热导率,表明分散纳米粒子的不同方式对导热系数有显著影响。

数据可用性

所有数据用于支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

回族李提出不同的纳米粒子的分散模式会影响PCM复合材料的热导率。嘉裕提出不同形式的纳米颗粒也会影响导热系数。回族李和朱青山收集相关文献。回族李和李香港联系和扫描电镜获得的纳米颗粒。回族李,李,和朱积设计SiO PCM₂,碳纳米管,国民生产总值和测量了热导率实验。实验是由李回族Haoqing王,朱青山。回族李、王Haoqing验证了实验数据。回族李整理实验数据和分析实验得到结论。最后,回族李写这篇论文。嘉裕回顾了论文,同意提交。

确认

我们感激地承认这项研究的财政支持由中国国家自然科学基金项目(51672054)。

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