Hitec盐/多孔铝硅酸盐陶瓷新型复合相变材料的制备及热物性研究

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能量储存技术可以促进对新能源的开发和对传统能源的高效利用,特别是热能储存(TES)系统,它具有灵活性好、性价比高等优点。TES技术的核心在于储热材料的选取,Hitec盐在中温TES领域具有相变温度合适、相变潜热大、分解点高等优势,但是也存在着相变易泄露、易腐蚀和导热率低等问题。而多孔陶瓷封装可以解决Hitec盐的这些问题,因此选用合适的多孔陶瓷材料封装Hitec盐,制备用于中温TES系统的复合相变材料(CPCM)具有重要意义。本文采用实验和分子动力学模拟相结合的方式,以多孔铝硅酸盐陶瓷(AC)为基体,Hitec盐为相变材料(PCM)制备了新型CPCM,探究了多孔AC的孔隙特性以及CPCM中多孔AC对Hitec盐的热物性影响。首先对多孔铝硅酸盐陶瓷性质进行研究,使用Materials Studio软件建立了Si O2:Al2O3分子比例分别为3:1、2:1、3:2、1:1、2:3、1:2、1:3多孔铝硅酸盐模型。使用软件中的Forcite、VAMP等模块对模型进行模拟后得到该模型的导热率、比热容、孔隙率和比表面积等数据。结果表明随着Al2O3占比增大,比热容、导热率、比表面积和孔隙率都在增加,其中导热率整体变化呈分段线性增加趋势,定压比热容和孔隙率增加缓慢。在实验中,Si O2:Al2O3比例也采用上述分子比,通过添加造孔剂法制备多孔AC,将硅藻土、氢氧化铝、氧化铝和可溶性淀粉按一定比例混合制备陶瓷胚体并在1250℃下烧结成多孔AC。然后利用SEM观察多孔陶瓷内部孔隙、同时使用阿基米德排水法测试其孔隙率。实验数据表明可溶性淀粉占比增大多孔AC孔隙率增加;当造孔剂占比不变而Al2O3占比增大时,多孔AC孔隙率也在增加,这与分子动力学模拟所得结果的变化趋势相似。接着采用静态熔融法以53wt%KNO3:7wt%Na NO3:40wt%Na NO2比例制备Hitec盐,采用自发熔融浸渍法将Hitec熔盐吸附到陶瓷中以制备CPCM,并通过DSC、导热率分析仪、TG、XRD、SEM等研究其性能(比热容Cp、相变温度、相变潜热、导热率、分解点、晶体结构、微孔结构)。在多孔铝硅酸盐陶瓷烧结温度都为1250℃情况下,DSC和导热率分析仪测试发现相较于其它组材料,添加25wt%可溶性淀粉且Si O2:Al2O3=1:2时得到CPCM综合热物性最好,导热系数为2.11W/(m·K),其Cp和相变潜热分别为1.25J/(g·K)和60.83J/g。TG研究发现多孔铝硅酸盐可使CPCM分解温度提高至750℃,同时降低分解速率。XRD分析得出多孔铝硅酸盐陶瓷Al2O3添加量增加,其内部莫来石晶体比例增加,晶型稳定性增强。SEM观察可以看出多孔铝硅酸盐陶瓷从Si O2:Al2O3=3:1至Si O2:Al2O3=1:2孔径由30-50μm变化为10-30μm,孔隙逐渐变小、孔径更加均匀,计算发现毛细作用增强,Hitec盐在熔融状态下不易泄露。本文研究结果为选择合适的Hitec盐/多孔铝硅酸盐陶瓷复合相变储能材料作为中温TES系统的储能材料提供了依据。
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