癸酸—月桂酸相變材料的導(dǎo)熱性能研究

羅宇飛

摘 要：文章主要研究相變材料的特性及相關(guān)應(yīng)用，并將癸酸-月桂酸作為研究對象制成相變材料。研究表明，隨著相變材料摩爾組成的變化，其相變潛熱和相變溫度也相應(yīng)發(fā)生變化；而且其導(dǎo)熱系數(shù)和相變溫度呈反比例的關(guān)系。另外，在相變材料中添加硅藻土可以有效改善材料的傳熱性能，根據(jù)這一特性，可以考慮將其制成儲能相變建筑材料。

關(guān)鍵詞：癸酸-月桂酸；相變材料；導(dǎo)熱性能

1 相變材料

相變材料的主要特性就是在相變過程中，通過吸收或者釋放環(huán)境的熱量達(dá)到控制環(huán)境溫度的目的。物質(zhì)的相變一般有如下四種形式，即固-固相變，固-液相變，液-汽相變和固-汽相變。其中固-固相變的潛熱小，但其相變的體積變化小，對容器無要求，是適用于實際的相變類型。利用相變材料的這種性能，可以用于開發(fā)環(huán)保節(jié)能復(fù)合材料，近年來已經(jīng)成為材料和能源領(lǐng)域中非常活躍的研究領(lǐng)域。

本文將癸酸和月桂酸作為研究材料，利用熔融混合的方法，制備出不同摩爾比的二元低共熔體系相變材料。該相變材料熔點(diǎn)較低，熔化溫度范圍較寬，性能相對穩(wěn)定。通過測試不同摩爾比相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)，并且將相同摩爾比相變材料在不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)等熱物理性能進(jìn)行測試，同時還研究了硅藻土對材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

2 相變過程

相變材料的相變過程是研究的基礎(chǔ)，一般認(rèn)為相變材料在結(jié)晶過程中主要分為三步，即誘發(fā)，晶體生長和晶體再生。誘發(fā)階段晶核逐漸形成并生長至臨界尺寸以上。生長階段，晶核周邊的材料通過擴(kuò)散并吸附在晶核表面，從而生長為具有幾何結(jié)構(gòu)的晶體。隨后結(jié)晶速度逐漸放慢。再生階段，雖然相變材料已經(jīng)凝固，但是材料內(nèi)部固有的相對運(yùn)動導(dǎo)致其大小和形狀不斷發(fā)生改變，從而導(dǎo)致熱遷移速度降低，晶體生長速率高。所以，不難看出相變材料在熔化和結(jié)晶過程中的變化主要在于成核速率、傳熱速率以及晶體生長速度，而影響相變過程的主要因素就是成核和傳熱。

3 不同摩爾比相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)

相變材料的制備如下：稱取所需摩爾比的癸酸-月桂酸相變材料物理混合，然后加熱至熔融狀態(tài)并充分?jǐn)嚢?，將熔融態(tài)液體置于模具中冷卻固化，最后制得長寬為300mm×300mm，厚度在10～40mm的試樣。將試樣放入導(dǎo)熱系數(shù)測定儀的爐體內(nèi)開始測試，觀察記錄不同溫度下材料的導(dǎo)熱系數(shù)。本文采用DRP-4型導(dǎo)熱系數(shù)測定儀進(jìn)行測量。

在測試時室溫為23℃時，結(jié)果如表1。

從測試結(jié)果可以看出，二元癸酸-月桂酸相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)和其相變溫度呈反比例關(guān)系，而且隨著相變溫度的降低，其導(dǎo)熱系數(shù)逐漸提高。相變溫度越高，單位質(zhì)量的材料相變時吸收的熱量越多，熱量傳導(dǎo)就慢，導(dǎo)熱系數(shù)就越小。由于該結(jié)果代表的是在長時間相變過程中某個階段材料的導(dǎo)熱系數(shù)，但是材料的導(dǎo)熱系數(shù)是隨著相變過程的變化而發(fā)生變化的動態(tài)過程，所以需要對材料相變過程中導(dǎo)熱系數(shù)的變化進(jìn)行測定研究。

下表以摩爾比為6：4的二元癸酸-月桂酸相變材料為例，測定不同溫度不同相變階段的導(dǎo)熱系數(shù)，結(jié)果如下。

表2中樣品溫度指的是初始探頭溫度和測試結(jié)束時探頭溫度的平均值。當(dāng)樣品溫度處于43℃以下時，材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而升高，當(dāng)溫度處于43℃以上時，其導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而基本不變，甚至略有下降。試樣在室溫下溫度均勻分布，試驗開始后，熱量主要依靠熱傳導(dǎo)的方式傳遞，隨后測試溫度的升高，測試過程中材料由固態(tài)逐漸熔融為固液混合物，隨著液態(tài)材料的增多，其傳熱方式慢慢變?yōu)闊釋α骱蜔醾鲗?dǎo)兩種方式，材料傳熱速率隨之加快。所以，對于固態(tài)-固液混合態(tài)的相變材料，其導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度上升最主要的原因就是熱對流和熱傳導(dǎo)的共同作用，而不完全是熱傳導(dǎo)加快的原因。在整個過程中，熱傳導(dǎo)速率逐漸下降，對流傳熱慢慢加快，在固液相變過程中，特別是在相變后期，對流逐漸占據(jù)主導(dǎo)，熱傳導(dǎo)幾乎可以忽略，該過程主要以對流為主。材料相變完全發(fā)生后，材料呈現(xiàn)液態(tài)并進(jìn)入穩(wěn)定對流傳熱狀態(tài)，此時導(dǎo)熱系數(shù)穩(wěn)定。

4 硅藻土對相變材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響

以摩爾比為6：4的二元癸酸-月桂酸相變材料為例，在其中添加一定比例的硅藻土顆粒，添加量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%，20%，30%，40%，50%。制作工藝與前面一樣，然后按相同的方法測定復(fù)合相變材料導(dǎo)熱系數(shù)，結(jié)果如圖1所示。

從表3可以看出，加入硅藻土后相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)比二元相變材料明顯增加，但是其導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化規(guī)律與單一相變材料一致，當(dāng)樣品溫度處于45℃以下時，材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而升高，當(dāng)溫度處于45℃以上時，其導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而基本不變，甚至略有下降。主要原因是相變材料從固態(tài)加熱升溫轉(zhuǎn)變?yōu)楣桃夯旌蠎B(tài)時，其傳熱方式發(fā)生變化，從單一的熱傳導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)闊釋α骱蜔醾鲗?dǎo)，二者共同作用加快傳熱速率，從而表現(xiàn)出導(dǎo)熱系數(shù)的增加。整個過程包括導(dǎo)熱和對流兩種方式。熔化初始階段對流和傳導(dǎo)兩種方式占主導(dǎo)地位，隨著液體逐漸增多，傳導(dǎo)慢慢下降，對流慢慢上升；在相變后期，傳導(dǎo)逐漸消失，對流占據(jù)主導(dǎo)，當(dāng)相變材料完全熔化后，材料進(jìn)入穩(wěn)定對流段，導(dǎo)熱系數(shù)不再增加。

5 實驗結(jié)論

本文通過測試不同摩爾比二元癸酸-月桂酸相變材料以及該材料在不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，以及硅藻土的加入對相變材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響，得出下列結(jié)論：

5.1 相變材料的相變潛熱和相變溫度隨材料摩爾比的變化而變化，當(dāng)月桂酸-癸酸摩爾比比2：8小時，其導(dǎo)熱性隨摩爾比的降低而降低。

5.2 相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)和相變溫度呈反比例關(guān)系，相變溫度越高，其導(dǎo)熱系數(shù)越低，導(dǎo)熱系數(shù)隨材料溫度的升高而有所升高，但當(dāng)溫度升高到一定階段后，材料進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，導(dǎo)熱系數(shù)保持穩(wěn)定。

5.3 硅藻土能有效改善相變材料的傳熱性，添加硅藻土能明顯增加材料的導(dǎo)熱系數(shù)。復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨硅藻土含量的提高而逐漸升高，但是當(dāng)硅藻土加入量超過20%時，相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)增加緩慢。

6 展望

隨著相變材料的不斷研究和開發(fā)，其在建材中的應(yīng)用越來越廣泛。而且隨著人們環(huán)保節(jié)能意識的提高，儲能相變建筑材料的應(yīng)用將會越來越廣闊。