工业余热是工业生产过程中产生的最主要余能,由于很多场合余热的数量和温度存在时间上和空间上的波动性,高效的回收和利用这些余热难度很大。现有许多工业余热资源的利用率还处于较低水平。以钢铁工业为例,其能耗占我国工业总能耗的13%,吨钢余热总量占吨钢总能耗的33%,数量巨大,但钢铁余热的利用率仅为30-50%,潜力还很大。工业余热的低效利用不但造成大量能源的浪费,而且还对环境造成很大压力。尤其是那些非稳态的波动性余热,回收难度更大,而目前此类技术缺乏。因此,急需开发工业非稳态余热高效利用的新技术,这已经成为我国工业节能减排的重要课题。高效利用非稳态余热,首先要将非稳态余热整流成稳态余热,再行利用。而储热技术正是实现该整流过程的技术,即将非稳态热量用储热材料将其存储,等到需要热量时,再可控和稳定地利用非稳态余热,它克服了钢铁工业许多余热间隙性的难点,并有效地解决了热量供需不匹配的矛盾关系。储热材料是储热技术中最关键的要素之一。在诸多储热材料中,无机盐基相变材料凭借其储热温区大、储热密度高、物理/化学性质稳定和价格低的优势,被视为是一种较为理想的中高温(>200℃)储热材料,且在工业非稳态中高温余热的回收和利用方面具有潜在价值。然而,较低的热导率和易腐蚀封装容器极大程度限制了无机盐基相变储热材料的应用。开发高性能的无机盐基复合相变储热材料势在必行。本课题以NaNO3作为一种中高温相变储热材料、多孔陶瓷作为载体,制备出了结构稳定性强、储热密度高和传热性能好的陶瓷耦合中高温相变储热材料。开展了骨架结构的制备研究、复合相变储热材料的制备研究、复合相变储热材料的储热特性和强化传热研究,并取得以下研究结果:(1)多孔陶瓷载体的烧结温度应低于其致密化温度。粉煤灰微珠基多孔陶瓷在最佳烧结温度(1250℃)下,得到了显气孔率为41.51%的载体,且经30wt.%CaCO3修饰后的最高显气孔率可达59.25%;CaCO3的修饰源于其分解产物CO2有利于增加孔的数量,另一分解产物CaO有助于粉煤灰微珠形成多孔的壳结构。硅藻土基多孔陶瓷在最佳烧结温度(1150℃)下,得到了显气孔率为61.61%的载体,且经0-50wt.%CaCO3修饰后具有可调控的孔结构:显气孔率61.61-67.53%,平均孔径0.73-26.6μm;CaCO3的修饰源于其分解腾出的空间有助于孔的形成,且将新生成的孔从孤立态转变为连通态。更适合以经CaCO3修饰的硅藻土基多孔陶瓷为载体,制备低成本和高储热密度的陶瓷耦合中高温相变储热材料。(2)自发浸渗法要求载体的平均孔径低于一个临界值;在试验条件下,用于负载NaNO3的硅藻土基多孔陶瓷载体孔径的最大值处于10.92-26.61μm。在满足载体孔径要求的前提下,相变材料熔体浸渗到载体中的过程还受到动力学因素(温度、时间)的影响,且NaNO3熔体浸渗硅藻土基多孔陶瓷在试验条件下的最佳浸渗条件为:浸渗温度340℃、浸渗时间1h。在最佳浸渗条件下,经CaCO3高温修饰的硅藻土基多孔陶瓷载体的骨架已被NaNO3相变材料相对充满,达到了近理想的浸渗结果。(3)未经和经CaCO3高温修饰的硅藻土基多孔陶瓷载体与其负载的NaNO3相变材料都具有很好的化学兼容性。在满足化学兼容性的基础上,多孔陶瓷载体并不改变相变材料的相变温度,但会降低复合相变材料的焓值和提高相变材料的热稳定性。CaCO3高温修饰硅藻土基多孔陶瓷可增加载体的显气孔率(67.53%),进而增强骨架负载NaNO3相变材料的能力(58.67wt.%),其负载率高于同类型(刚性)骨架近10wt.%,并可提高复合相变材料的储热密度(297.13J/g,200-330℃)和储热效率(58.71%)。CaCO3高温修饰硅藻土基多孔陶瓷可增大载体的孔径(10.92 μm),进而促进NaNO3熔体在载体骨架中的微流动,有效避免了 NaNO3在固-液(液-固)相变过程中反复的体积膨胀(收缩)对载体结构的破坏,从而显著提高了复合相变材料的热循环稳定性,且从低于100次提高至500次以上。(4)高温修饰硅藻土基多孔陶瓷骨架可获得一个更致密、连续和低热阻的传热通道,进而显著提高其负载的NaNO3相变材料的热导率,可达1.33W/(m·K)(25℃),接近同类型复合相变材料热导率的2倍。CaCO3高温修饰硅藻土基多孔陶瓷骨架可有效避免NaNO3的体积变化对载体结构的破坏,从而为复合相变材料提供一个稳定的传热通道;同时在骨架中生成了低导热相(硅灰石、斜硅钙石)。在经CaCO3高温修饰骨架的基础上,SiC进一步修饰骨架可显著提高其有效负载的NaNO3相变材料的热导率,高达2.06W/(m·K)(25℃),其提高幅度约78%,其作用机理是:引入了导热增强相(莫桑石相);确保了导热增强相与相变材料较低的接触热阻;增大了导热增强相与相变材料的传热面积。本论文的开展为无机盐基相变材料的应用推广提供了思路,并为工业非稳态中高温余热的回收利用奠定了理论基础。