热能储存技术能有效提高能源利用效率,为克服能源危机和环境污染问题起到了重要的积极作用。潜热储存主要是利用相变材料(PCM)发生相变时的潜热实现热能的储存和利用,是目前最重要的热能储存方式。然而在实际应用中,绝大多数PCM都存在热导率过低的缺点,尤其是传统的有机PCM,极大地限制了热能存储系统的热响应速率和系统效率。随着纳米技术的发展,新型纳米材料因其独特的体积效应、表面效应、宏观量子隧道效应等特征,在诸多领域展现出巨大的应用潜力,有望通过添加高导热纳米粒子改善传统PCM的导热特性。本文选取新型的二维碳纳米材料石墨烯作为PCM的添加剂,通过实验测量和分子动力学模拟研究了石墨烯/正十八烷复合PCM的相变热特性。首先,采用两步法制备了纳米石墨烯片/正十八烷复合PCM,对其分散稳定性、微观形貌结构以及化学相容性进行了表征,对比研究了纳米石墨烯片添加量对复合PCM相变温度、相变焓、比热、导热系数及热稳定性的影响。研究表明:分散剂的加入显著提高了复合体系中纳米石墨烯片的分散稳定性,体系经多次相变循环后未产生明显团聚或沉降。纳米石墨烯片在正十八烷基体中依然保持着良好的片层状结构且分散均匀,复合过程中没有发生化学反应。相对于导热系数的大幅提高,添加纳米石墨烯片对基体PCM的相变温度和潜热影响很小,依然表现出良好的储热性能。此外,复合PCM在105℃以下具有良好的热稳定性。然后,从微观角度出发,分别建立了正十八烷和三种不同质量比的石墨烯/正十八烷复合PCM的分子模型,采用分子动力学方法研究了各体系在相变过程中的密度、熔点、比热、导热系数等热物性参数的变化规律,分析了影响宏观热物性参数的微观机理和复合体系中的能量传递过程。研究表明:石墨烯与正十八烷分子间强烈的相互作用限制了正十八烷分子的扩散强度,通过自扩散系数随温度的变化关系可以判断体系发生相变时的温度。随石墨烯质量分数的增加,复合PCM的熔点略微降低,比热容变化很小,导热系数明显提高。复合体系中石墨烯与正十八烷的振动功率谱有较大部分的重叠,有利于提高体系内石墨烯与正十八烷分子间的导热。最后,从分子角度研究了石墨烯及纳米Al表面对基体PCM在相变过程中分子扩散行为和有序度的影响,分析了影响其导热系数的微观机理。研究表明:石墨烯在复合体系中的运动并非扩散,而是在初始位置附近做振动。在靠近纳米Al表面的位置,正十八烷分子有序度提高,说明纳米Al表面作用力促进了正十八烷分子的结晶。相比之下,石墨烯的添加能进一步提高正十八烷分子的有序度,对促进正十八烷分子定向结晶的作用更为显著,而长链分子的定向结晶也是导热系数提高的一个重要因素。