【摘 要】
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有机相变材料普遍具有热存储密度高、自身温度和体积变化小、无毒无腐蚀、成本低和化学性质稳定等优点,能吸收和储存热量并将热量释放到环境中,在新能源开发利用和热能储存领域起着至关重要的作用。然而,有机相变材料普遍存在熔融泄漏和热导率低的问题,严重制约了相变材料的实际应用和发展。其中,聚乙二醇（PEG）是目前应用最广的有机相变材料,但同样存在稳定性差和热导率低的问题。因此,PEG的封装定形和导热强化成为研
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有机相变材料普遍具有热存储密度高、自身温度和体积变化小、无毒无腐蚀、成本低和化学性质稳定等优点,能吸收和储存热量并将热量释放到环境中,在新能源开发利用和热能储存领域起着至关重要的作用。然而,有机相变材料普遍存在熔融泄漏和热导率低的问题,严重制约了相变材料的实际应用和发展。其中,聚乙二醇（PEG）是目前应用最广的有机相变材料,但同样存在稳定性差和热导率低的问题。因此,PEG的封装定形和导热强化成为研究热点。而木材具有天然的分级多孔结构,属可再生资源,可为PEG的液相封装提供空间,同时也能提高木材的附加值和功能化应用。本研究以杨木为原材料,通过简单的高温炭化获得炭化木支撑材料,以PEG为相变基质,采用真空浸渍法制备炭化木基复合相变储能材料。首先,为了解炭化木支撑材料结构对复合相变材料的影响,改变杨木的炭化温度和炭化速率,得到不同炭化条件下的支撑材料与PEG形成复合;接着,为制备得到形态稳定,不会发生相变温度以上熔融泄漏的复合相变材料,引入纳米尺寸的碳点（CDs）负载于炭化木孔道结构中,分析了负载CDs对复合相变材料形态稳定性的影响;最后,为进一步得到高导热和形态稳定的复合相变材料,选用Cu Cl2·2H2O溶液浸泡杨木,经高温炭化还原得到负载铜颗粒的炭化木支撑材料,通过铜自身具有的高热导率,强化了复合相变材料的导热性能。主要研究结果如下:（1）炭化温度和炭化速率会影响炭化木支撑材料的结构,升高炭化温度和降低炭化速率能使炭化木获得较大的比表面积和适合PEG封装浸渍的孔径尺寸。当炭化温度为1000℃,炭化速率以3℃/min升温至250℃,再以5℃/min升温至1000℃时得到的三维多孔炭化木支撑材料具有最大的比表面积（598.19 m2/g）,平均孔径为3.25 nm,具有较强的毛细管作用力。此条件下得到的支撑材料不仅能减少PEG的质量损失量,还能提高复合相变材料的热导率。最终,此条件下得到的复合相变材料经泄漏测试后PEG质量损失百分数最小为6.9%,热导率最高达0.434 W/m·K,相对于纯PEG提高了约107%。其它物化性能则显示了炭化木是良好的支撑材料,具有较好的封装效果。同时,炭化木基复合相变材料表现出优异的相变潜热,熔融焓和结晶焓分别为130.5 J/g和126.3 J/g,有较高的储能效率（99.8%）。（2）为提高炭化木基复合相变储能材料的形态稳定性,引入表面具有丰富含氮和含氧基团,平均粒径为2.4 nm的CDs,探讨了CDs负载对炭化木孔结构及化学组分的影响。结果显示当CDs浓度为3.8 mg/m L时,制备得到的复合材料完全没有泄漏痕迹,具有良好的封装定形效果。这是由于复合相变材料除炭化木自身孔道存在的毛细作用和表面张力作用外,CDs表面含有的氨基官能团可与PEG形成氢键作用,从而极大地促进了复合相变材料的形态稳定性。此外,CDs表面存在含氮官能团可以减小支撑材料的带隙,从而使热导率最高达0.449 W/m·K,相对于纯PEG提高了约114%。热学性能显示负载CDs的炭化木复合相变材料熔融焓和结晶焓分别为112.4 J/g和110.8 J/g,储能效率达到100%,有利于热能的储存和释放。（3）在制备得到具有长期形态稳定的复合相变材料基础上,为提高复合相变材料的热导率,用不同浓度的Cu Cl2·2H2O溶液浸泡杨木。通过高温还原获得铜颗粒修饰的高导热炭化木支撑材料,化学组成成分显示铜颗粒主要为铜单质或铜的氧化物,其在孔道结构中能均匀分布。经真空浸渍后与PEG复合制备得到的复合相变材料不仅具有良好的形态稳定性,还因铜单质及铜的氧化物做自由电子的无规则运动,使复合相变材料具有较高的热导率（0.991 W/m·K）,相较于纯PEG提高了约338%。由于热导率的提高,复合相变材料的过冷度降低7.8°C,吸收热量和释放热量的能力增强,熔融焓和结晶焓分别为97.3 J/g和96.5J/g,储能效率达100%,具有良好的热能储存和释放性能。此外,复合相变材料还表现出良好的热循环性和热稳定性能。从而,最终制备得到形态稳定性和高导热的复合相变储能材料,在太阳能储存领域具有广泛的应用前景。
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