銅粒子負(fù)載泡沫基相變復(fù)合材料的制備與性能

儲(chǔ) 瑤，王 爍，張子諾，王藝博，蔡以兵，2

（1.江南大學(xué)生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,無錫 214122；2.安徽省生物蛋白纖維復(fù)合材料工程研究中心,六安 237012）

近年來，地球能源消耗的增加和能源供給之間的巨大失衡要求我們在開發(fā)尋找新能源的同時(shí)，也要研究提高能源利用率的技術(shù)手段，這也是確保國家經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵所在.熱能儲(chǔ)存（TES）作為提高能源利用率的技術(shù)之一備受關(guān)注［1］.TES是將高溫或低溫能量臨時(shí)儲(chǔ)存后備用，有潛熱儲(chǔ)能、顯熱儲(chǔ)能和化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)能3種類型.其中，潛熱儲(chǔ)能因具有儲(chǔ)熱效率高、儲(chǔ)能密度大等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用［2］.相變材料（PCM）作為一種潛熱儲(chǔ)能材料，能夠根據(jù)周圍環(huán)境的變化，快速有效地吸收或釋放熱，來保持材料周圍溫度不變，被廣泛應(yīng)用在太陽能儲(chǔ)能系統(tǒng)、節(jié)能建筑、熱紅外隱身及紡織等領(lǐng)域［3~5］.然而固-液PCM在應(yīng)用時(shí)往往存在高溫下易泄漏和導(dǎo)熱性能較差等局限性，通過將其與其它材料復(fù)合或改性處理形成定形相變材料可以大大改善這些問題［6，7］.Golestaneh等［8］通過靜電紡絲法，分別將癸酸-月桂酸（CA-LA）和癸酸棕櫚酸（CA-PA）的二元脂肪酸共晶混合物封裝在滌綸（PET）中，制得復(fù)合相變纖維.DSC測試發(fā)現(xiàn)，含有CA-LA-PA的靜電紡復(fù)合纖維具有較低的熔融溫度和較寬的相變焓范圍，這對于環(huán)境熱量存儲(chǔ)具有重要意義.張秋香等［9］以丙烯酸酯為殼材、石蠟為芯材，采用原位聚合法制備了細(xì)粒徑的微膠囊相變材料.結(jié)果表明，制備的微膠囊尺寸在0.2~0.35 μm之間，且具有良好的儲(chǔ)熱能力.紡絲法和微膠囊法將固-液相PCM封裝在壁材中，改善了相變材料的泄漏問題，但存在制備時(shí)工藝參數(shù)不易控制、復(fù)合材料的循壞耐久性較差等缺點(diǎn).

三維多孔結(jié)構(gòu)材料的興起給有機(jī)相變復(fù)合材料的發(fā)展帶來更多可能性［10，11］.將三維骨架用作支撐基體，可以賦予相變材料良好的形狀穩(wěn)定性和抗泄漏性能［12］.在此基礎(chǔ)上，以物理共混的方式在骨架中加入導(dǎo)熱填料如石墨烯、碳納米管及麥肯錫等，可以解決導(dǎo)熱性差的問題［13~16］.Wang等［17］以環(huán)氧樹脂作為基體，與膨脹石墨（EG）進(jìn)行復(fù)合得到石蠟/EG相變復(fù)合材料，結(jié)果表明復(fù)合相變材料具有良好的熱穩(wěn)定性、抗泄露性和優(yōu)良的熱物理性能.Yang等［18］采用冰模板組裝法制備了氧化石墨烯/氮化硼（GO/BN）多孔三維骨架，并以其為基體吸附聚乙二醇（PEG），發(fā)現(xiàn)GO的加入大大促進(jìn)了材料對光子的吸收能力，復(fù)合相變材料具有較好的導(dǎo)熱性、形狀穩(wěn)定性和光熱轉(zhuǎn)換性能，可以在光熱轉(zhuǎn)換和電熱轉(zhuǎn)換領(lǐng)域得到應(yīng)用.Chen等［19］制備了多功能相變復(fù)合材料，其由連續(xù)且可變形的碳納米管（CNTs）海綿支架和石蠟組成，由于具有高度連續(xù)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，可通過低電壓（1.5 V）或光照引發(fā)相變儲(chǔ)熱，電熱或光熱轉(zhuǎn)換效率達(dá)到40%~60%.

此外，由于金屬表面的等離子體共振效應(yīng)可以對可見光進(jìn)行選擇性吸收，將金屬與碳材料結(jié)合可以充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢，提高材料的吸光性和光熱轉(zhuǎn)換效率［20，21］.Zhang等［22］制備了一種多折疊分層結(jié)構(gòu)的光驅(qū)動(dòng)晶體光纖，該光纖由銀納米粒子功能化的石墨烯納米片作支撐基體，以確保相變前后材料的形狀穩(wěn)定性.該相變復(fù)合材料表現(xiàn)出了較高的熱導(dǎo)率（49.5%~95.3%）及高儲(chǔ)能密度（>166.1 J/g）.Zhang等［23］以銅泡沫骨架為載體，分別將氧化石墨烯和還原氧化石墨烯作為表面改性劑，石蠟和PEG作為對應(yīng)改性劑的填充相變材料，得到三維多孔銅泡沫基形狀穩(wěn)定型相變材料，其具有高效的光熱轉(zhuǎn)換能力、良好的熱導(dǎo)率和優(yōu)異的能量儲(chǔ)存性能.Song等［24］采用化學(xué)還原和自組裝的方法將生成的銀（Ag）納米顆粒分散到埃洛石納米管（HNT）框架中，吸附PEG后得到PEG/HNT@Ag復(fù)合相變材料，這種復(fù)合材料的相變溫度可以保持在33.6℃左右，適應(yīng)我國大多數(shù)地區(qū)的夏季溫度；且相比純PEG，其熱導(dǎo)率提高了2.08倍，并表現(xiàn)出穩(wěn)定的熱循環(huán)性能.

三聚氰胺泡沫（MF）是一種三維多孔材料，因具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的吸附性而被研究人員更多地用作相變復(fù)合材料的基體.銅作為一種金屬材料，具有良好的導(dǎo)熱性和吸光性，與銀、鈷、鎳等金屬相比，銅具有制備過程簡單、原料價(jià)格更低、應(yīng)用更廣泛的優(yōu)勢［25］.在MF多孔材料的基礎(chǔ)上，構(gòu)建金屬化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以極大改善復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能，此外，金屬化框架還有望提高復(fù)合材料的機(jī)械承載能力和化學(xué)穩(wěn)定性［26］.因此，本文提出一種簡單可行的方法，首先以MF為模板，經(jīng)高溫碳化得到碳泡沫（CF）作為支撐骨架，然后通過氧化還原反應(yīng)在CF骨架上生長銅粒子，將具有高儲(chǔ)熱效率的PEG作為儲(chǔ)能介質(zhì)，利用真空吸附法將其封裝到支撐基體中，最終得到了定形相變復(fù)合材料（CF@Cu/PEG），并對相變復(fù)合材料的內(nèi)部形貌、密封性能、調(diào)溫性能和熱物理性能等進(jìn)行了測試與分析.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

三聚氰胺泡沫，購自四川超聚新材料科技有限公司；無水乙醇、二水合氯化銅（CuCl2·2H2O）、水合肼（N2H4·H2O）和聚乙二醇（Mn=2000，批號20180102）均購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；所有試劑均為分析純.

SU1510型掃描電子顯微鏡（SEM），日本日立公司；D8 PHASER型X射線衍射儀（XRD），德國布魯克AXS有限公司，CuKα射線（λ=0.154 nm），管電壓40 kV，管電流40 mA，掃描速度0.02°/s，掃描范圍10°~89°；TA-Q200C型差示掃描量熱儀（DSC），美國TA儀器公司，加熱/冷卻速率5℃/min；JF-956S型等溫加熱臺(tái)，深圳新晶藝煌工業(yè)有限公司；XQ500W型氙燈（波長250~2500 nm，工作電流18 A），上海藍(lán)晟電子有限公司；AT4204型多路溫度測試儀，常州安柏精密儀器有限公司；R500 Pro-D型紅外熱像儀，日本NEC集團(tuán).

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.1 CF@Cu-x的制備 首先采用無水乙醇和去離子水對MF進(jìn)行清洗，干燥后在管式爐中進(jìn)行預(yù)氧化和碳化，得到CF.預(yù)氧化工藝為：在空氣氛圍下，以5℃/min的升溫速率升溫至270℃，保溫2 h后自然降溫至室溫；碳化工藝為：在N2氣氛圍下，以5℃/min的升溫速率升溫至400℃，保溫30 min后自然降溫至室溫后取出.分別配制0.5，0.75，1.0，1.25和1.5 mol/L的CuCl2溶液；將CF裁剪成2 cm×2 cm×1 cm大小的泡沫塊，分別放入裝有不同濃度CuCl2溶液的離心管中超聲5 min，然后放入恒溫?fù)u床以120 r/min的轉(zhuǎn)速振蕩8 h后取出，擠壓樣品表面的多余溶液，放入2 mol/L的N2H4·H2O溶液中，繼續(xù)在恒溫?fù)u床中振蕩24 h.將得到的樣品進(jìn)行充分干燥，得到負(fù)載有Cu粒子的CF，命名為CF@Cu-x，x為所用CuCl2溶液的濃度.在此過程中，MF和CF作為對照參比樣品.

1.2.2 CF@Cu-x/PEG的制備 采用真空浸漬法制備定形相變復(fù)合材料.將制得的CF@Cu-x置于80℃熔融狀態(tài)下的PEG 2000中，于真空烘箱中靜置3 h.吸附完成后取出，置于中性濾紙上，再次于80℃真空烘箱中放置10 h以去除樣品表面多余的PEG.在此過程中不斷更換濾紙直到樣品不再泄漏PEG.最終得到的相變復(fù)合材料命名為CF@Cu-x/PEG，同時(shí)采用相同的制備程序制得對照參比樣品CF@PEG和MF@PEG.相變復(fù)合材料的制備過程如Scheme 1所示.

Scheme 1 Preparation process of phase change composites

Scheme 2 Leakage?proof performance of the samples during heating and compression

2 結(jié)果與討論

2.1 形態(tài)與結(jié)構(gòu)

采用SEM對MF，CF，CF@Cu-x和CF@Cu-x/PEG的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察.MF，CF與CF@Cu-x的SEM照片如圖1所示.MF由互相連接的多孔結(jié)構(gòu)組成，其表面非常光滑［圖1（A）］.而經(jīng)過預(yù)氧化和碳化過程后，其表面發(fā)生了明顯的收縮并出現(xiàn)了小孔［圖1（B）］.這是因?yàn)樵谔蓟^程中有小分子氣體逸出，在原位形成了微小的孔洞.碳化使泡沫基體變成黑色，可以增強(qiáng)對太陽光熱的吸收能力，提高相變材料的潛熱效率［27］.從圖1（C）~（G）可以觀察到，在不同濃度CuCl2溶液中處理的5種復(fù)合CF骨架內(nèi)部，Cu粒子的生長情況呈現(xiàn)出明顯差異.于0.5 mol/L和0.75 mol/L的CuCl2溶液中浸泡再經(jīng)N2H4·H2O還原后得到的2個(gè)樣品中，Cu粒子分布稀疏、不均勻且顆粒較大，呈片狀［圖1（C）和（D）］.當(dāng)CuCl2濃度增加為1.0 mol/L時(shí)，Cu粒子相互黏附，較致密地覆蓋在CF骨架表面［圖1（E）］.進(jìn)一步增加CuCl2濃度制得的CF@Cu-1.25［圖1（F）］和CF@Cu-1.5［圖1（G）］骨架上Cu粒子數(shù)量繼續(xù)增加，但是其分布不均勻且出現(xiàn)了較大面積的堆積與團(tuán)聚.因此可以通過改變CuCl2溶液的濃度來調(diào)節(jié)Cu粒子在CF骨架上的生長與分布情況.在本文設(shè)置的實(shí)驗(yàn)條件下，將CF在濃度為1.0 mol/L的CuCl2溶液中浸泡并經(jīng)2.0 mol/LN2H4·H2O還原后得到的樣品中Cu粒子在CF骨架表面呈現(xiàn)均勻致密的生長與分布.因此，后續(xù)的結(jié)構(gòu)與性能研究主要以CF@Cu-1.0和CF@Cu-1.0/PEG作為研究對象.

Fig.1 SEM images of internal skeleton of MF,CF and CF@Cu?x

為了進(jìn)一步驗(yàn)證在CF骨架上生成的物質(zhì)是Cu粒子，采用XRD對CF@Cu-1.0的組成與結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析.由圖2可見，MF經(jīng)碳化后沒有出現(xiàn)尖銳的衍射峰，表明CF為無定形結(jié)構(gòu).而CF@Cu-1.0在43.2°，50.3°和74.1°處出現(xiàn)了明顯的特征衍射峰，分別對應(yīng)于Cu（PDF#04-0836）的（111），（200）和（220）晶面，因此可以確定經(jīng)氧化還原反應(yīng)后在CF骨架表面生成了Cu粒子，且沒有其它雜質(zhì)產(chǎn)生.對比Cu的標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片（PDF#04-0836）還可以發(fā)現(xiàn)CF@Cu-1.0的XRD衍射峰出現(xiàn)了寬化，可能歸因于在XRD測試中，當(dāng)X射線入射到小粒徑的晶體時(shí)，其衍射線條將變得彌散而寬化，且晶體的晶粒越小，衍射峰的寬化程度越大，可以采用Scherrer公式解釋此現(xiàn)象［28］.利用Jade軟件和Scherrer公式計(jì)算了Cu粒子的晶粒大小D（nm）：

Fig.2 XRD paterns of CF and CF@Cu?1.0

式中：λ(nm)為輻射波長，λ=0.15406 nm；k為Scherrer常數(shù)，通常取0.89；θ(°)為半衍射角；β(rad)為衍射峰的半高峰寬，在Jade軟件中通常利用公式進(jìn)行計(jì)算［其中，B（rad）為樣品的衍射峰寬，b（rad）為儀器寬度］.將數(shù)據(jù)代入公式（1）計(jì)算得到Cu粒子的晶粒大小約為9.1044 nm，此數(shù)值符合Scherrer公式的使用條件.

圖3示出了CF@PEG和CF@Cu-1.0/PEG的微觀形態(tài).從圖3（A）和（B）可以觀察到，輕質(zhì)的CF本身具備較高的孔隙率，為相變材料PEG的封裝提供了豐富的空間.在真空浸漬過程中，由于表面張力和毛細(xì)效應(yīng)的作用，使得PEG被填充到泡沫孔隙內(nèi)部，同時(shí)泡沫骨架之間相互貫穿、彼此連通對相變材料起到了有力的支撐，在一定程度上可以防止PEG的熔融泄漏.由圖3（C）和（D）可以看出，PEG均勻分散在CF@Cu-1.0基體的多孔結(jié)構(gòu)中，呈現(xiàn)優(yōu)異的封裝與支撐作用，這歸因于PEG與CF@Cu-1.0基體之間的表面張力、毛細(xì)效應(yīng)和配位鍵作用；但在CF@Cu骨架上還可以看到一些Cu粒子，表明PEG的浸漬不能將泡沫骨架完全覆蓋.

Fig.3 SEM images of CF@PEG and CF@Cu?1.0/PEG

2.2 吸附容量

在實(shí)際應(yīng)用中，相變復(fù)合材料中PEG的負(fù)載量直接決定了其儲(chǔ)熱性能.采用稱重法對泄漏前后樣品的質(zhì)量進(jìn)行測定，并利用下式計(jì)算其吸附率（φ，%)：

式中：m（g）為在80℃烘箱中泄漏10 h后的樣品質(zhì)量，m0（g）為浸漬PEG前基體的質(zhì)量.計(jì)算得到CF@PEG和CF@Cu-x/PEG（x分別為0.5，0.75，1.0，1.25和1.5）對PEG的吸附率分別為94.5%，90.1%，86.9%，84.2%，83.8%和80.3%.結(jié)果表明，CF的三維網(wǎng)絡(luò)多孔結(jié)構(gòu)能夠負(fù)載大量的PEG，這將有助于提高相變復(fù)合材料的儲(chǔ)熱能力.

2.3 密封性能

相變材料往往因溫度升高時(shí)發(fā)生泄漏而使其應(yīng)用受到限制，因此在高負(fù)載量的前提下，相變復(fù)合材料的密封性能亦顯得非常重要，其對相變復(fù)合材料的循環(huán)使用穩(wěn)定性起著決定性作用.

對形狀穩(wěn)定后的樣品進(jìn)行了高溫和外力作用下的密封性測試.將CF@PEG，CF@Cu-1.0/PEG和純PEG放在濾紙上，置于80℃的電加熱臺(tái)上（Scheme 2）.可以觀察到，室溫下3個(gè)樣品的形狀沒有改變，隨著溫度升高到80℃，純PEG開始熔化，10 min后PEG完全泄漏，在濾紙上鋪開，而CF@PEG和CF@Cu-1.0/PEG基本沒有發(fā)生泄漏.隨后，在CF@PEG和CF@Cu-1.0/PEG上分別放置一個(gè)50 g的砝碼，10 min后觀察到CF@PEG發(fā)生了PEG泄漏，而CF@Cu-1.0/PEG沒有變化.這是因?yàn)镃F骨架在被Cu粒子修飾后，Cu粒子的均勻沉積增加了CF骨架表面的粗糙度，不僅限制了相變材料的流動(dòng)性，同時(shí)也增強(qiáng)了基體與相變材料之間的毛細(xì)效應(yīng)和分子間作用力，相比于未經(jīng)修飾的CF，CF@Cu對PEG的約束能力更穩(wěn)定［6］.結(jié)果表明，CF@Cu基體的三維網(wǎng)絡(luò)多孔結(jié)構(gòu)可以限制PEG的流動(dòng)，在維持較高吸附率的情況下，還具有良好的封裝作用.且當(dāng)受到外力作用時(shí)，相變復(fù)合材料具有一定的機(jī)械承載能力來維持其形狀穩(wěn)定性.

2.4 熱物理性能

起始熔融溫度（Tmi，℃）、熔融峰溫度（Tmp，℃）、終止熔融溫度（Tme，℃）、熔融焓（ΔHm，℃）、起始結(jié)晶溫度（Tci，℃）、結(jié)晶峰溫度（Tcp，℃）、終止結(jié)晶溫度（Tce，℃）和結(jié)晶焓（ΔHc，J/g）是表征相變材料熱物理性能的重要參數(shù)［29］.采用DSC測定了純PEG，CF@PEG和CF@Cu-x/PEG的熱物理性質(zhì)，其熔融和結(jié)晶曲線見圖4，相應(yīng)的熱性能參數(shù)列于表1中.純PEG的Tmi和Tci分別為41.6和23.7℃，對應(yīng)的ΔHm和ΔHc分別為178.3和164.0 J/g.CF@PEG和CF@Cu/PEG的熔融/結(jié)晶過程與純PEG相似，表明泡沫基體與相變材料之間主要是物理作用，不會(huì)對PEG的相變行為產(chǎn)生明顯影響.從圖4和表1還可以發(fā)現(xiàn)，隨著Cu粒子含量增加，CF@Cu基體吸附PEG制得的相變復(fù)合材料的Tci均有所增加，這是因?yàn)榕菽羌苤械腃u粒子具有良好的傳熱作用，形成的導(dǎo)熱通路可以促進(jìn)PEG的晶核形成和生長，改善了聚合物鏈段的移動(dòng)性，從而使得相變復(fù)合材料的結(jié)晶過程提前［25］.同時(shí)相變復(fù)合材料的ΔHm和ΔHc逐漸下降，主要?dú)w因于CF@Cu對PEG的吸附率下降，ΔHm和ΔHc與支撐基體對PEG的吸附率呈正相關(guān).盡管相變復(fù)合材料的焓值隨著Cu粒子濃度的增加而略微下降，但其相變焓效率經(jīng)計(jì)算后均可達(dá)到80%以上，表明相變復(fù)合材料具有良好的潛熱儲(chǔ)存能力，可望在熱能儲(chǔ)存和溫度調(diào)節(jié)等領(lǐng)域得到應(yīng)用.

Fig.4 DSC curves of pure PEG,CF@PEG and CF@Cu?x/PEG

Table 1 Detailed thermophysical parameters of PEG,CF@PEG and CF@Cu-x/PEG

2.5 控溫性能

將CF與相變復(fù)合材料CF@Cu-1.0/PEG置于80℃的加熱臺(tái)上，經(jīng)過一定時(shí)間后，停止加熱，利用紅外熱成像儀全程記錄兩種樣品的表面溫度變化情況.圖5為CF與CF@Cu-1.0/PEG在加熱和冷卻過程中的溫度隨時(shí)間的變化情況.在加熱過程中可以很明顯地觀察到兩種樣品表面的顏色變化，CF在30 s內(nèi)快速升溫至40.1℃，而CF@Cu-1.0/PEG升溫較緩慢.這主要是因?yàn)橄嘧儚?fù)合材料中的PEG發(fā)生了固-液相轉(zhuǎn)變，對熱能進(jìn)行了存儲(chǔ)，控制了其表面溫度的快速升高.在冷卻過程中也觀察到類似的現(xiàn)象，CF表面溫度也比CF@Cu-1.0/PEG下降得更快，CF在80 s內(nèi)下降了7.2℃，而CF@Cu-1.0/PEG在80 s內(nèi)僅下降了2.2℃.這是因?yàn)樵诮禍剡^程中，相變復(fù)合材料中的PEG發(fā)生了液-固相轉(zhuǎn)變，并將存儲(chǔ)的熱量進(jìn)行了釋放.對比兩種樣品的表面溫度變化可以看出，制備的相變復(fù)合材料具有一定的熱能存儲(chǔ)和溫度調(diào)節(jié)能力.

Fig.5 Infrared thermography of CF and CF@Cu?1.0/PEG composite

采用自行組裝的實(shí)驗(yàn)裝置測定了相變復(fù)合材料的光熱轉(zhuǎn)換性能.將與溫度傳感器連接的相變復(fù)合材料CF@Cu-1.0/PEG放置在模擬太陽光的氙燈光源下，記錄樣品溫度隨時(shí)間的變化.為了對比，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下記錄了CF@PEG，MF@PEG以及室內(nèi)環(huán)境隨時(shí)間的溫度變化曲線.由圖6可以看出，所有樣品均呈現(xiàn)先升溫后降溫的現(xiàn)象.其中CF@Cu-1.0/PEG具有明顯的光-熱轉(zhuǎn)換效果，與環(huán)境溫度相比，其溫度在500 s內(nèi)從31.7℃快速上升到41.8℃，遠(yuǎn)高于室溫，同時(shí)也高于CF@PEG和MF@PEG.同時(shí)，CF@PEG較MF@PEG溫度上升得更快，主要是因?yàn)楹谏腃F更有利于光的吸收.CF@Cu-1.0/PEG所達(dá)到的最高溫度約為49.2℃，高于其它樣品，這歸因于泡沫骨架上的Cu粒子具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，促進(jìn)了光-熱轉(zhuǎn)化過程.關(guān)閉氙燈后，可以觀察到3種樣品溫度均發(fā)生下降，但MF@PEG和CF@PEG較CF@Cu-1.0/PEG下降得更迅速.CF@Cu-1.0/PEG從49.2℃下降到40℃大約需要20 min，且出現(xiàn)了一個(gè)溫度平臺(tái)，對應(yīng)于PEG的液-固相轉(zhuǎn)變并將存儲(chǔ)的熱能釋放［30］，結(jié)果表明，CF@Cu/PEG相變復(fù)合材料可以將熱能有效地儲(chǔ)存起來并緩慢釋放，具有一定的調(diào)溫保溫功能和熱能管理能力.

為了進(jìn)一步表征所制備相變復(fù)合材料（CF@Cu-1.0/PEG）的光熱轉(zhuǎn)換效率，采用照度計(jì)測試了氙燈的模擬光強(qiáng)并轉(zhuǎn)化為輻射照度850 W/m2，采用下式計(jì)算光熱轉(zhuǎn)換效率（η，%）［31］：

Fig.6 Thermal energy storage and release process of different samples

式中：m（g）和ΔH（J/g）分別代表相變復(fù)合材料的質(zhì)量和熔融焓；I（W/m2）和S（m2）分別為光源對相變復(fù)合材料的輻射照度和照明面積；T0（s）和Tt（s）分別為溫度-時(shí)間曲線中平臺(tái)期的起止時(shí)間.根據(jù)式（3）計(jì)算得到CF@Cu-1.0/PEG的光熱轉(zhuǎn)換效率為83.8%，表明所制備的相變復(fù)合材料具有良好的光熱轉(zhuǎn)換效果.

Scheme 3出示了相變復(fù)合材料CF@Cu/PEG可能的光-熱轉(zhuǎn)換機(jī)制.一方面，由于金屬粒子本身的性質(zhì)，Cu粒子可以在CF骨架表面充當(dāng)光-熱轉(zhuǎn)換的介質(zhì)，促進(jìn)材料對光的吸收；另一方面，Cu粒子沿著泡沫內(nèi)部既有的三維網(wǎng)絡(luò)框架均勻沉積，形成了彼此連通的導(dǎo)熱路徑，使吸收的熱量可以沿著骨架延伸方向傳遞，并最終通過相變過程以潛熱形式存儲(chǔ)在復(fù)合材料中.這種光-熱轉(zhuǎn)換能力給相變復(fù)合材料在太陽能儲(chǔ)熱系統(tǒng)、紅外隱身和節(jié)能建筑等領(lǐng)域的應(yīng)用帶來了機(jī)遇.

Scheme 3 Mechanism for photo?thermal conversion of the fabricated phase change composites

3 結(jié) 論

采用具有豐富孔結(jié)構(gòu)的三聚氰胺泡沫（MF）為基體，首先進(jìn)行高溫碳化得到碳泡沫（CF），然后通過氧化還原反應(yīng)在CF骨架內(nèi)部生成銅粒子，以CF@Cu作為支撐材料經(jīng)真空吸附聚乙二醇（PEG）制備了一種輕質(zhì)的泡沫基相變復(fù)合材料.通過觀察相變復(fù)合材料的微觀形貌發(fā)現(xiàn)，當(dāng)CuCl2溶液的濃度為1.0 mol/L，N2H4·H2O溶液濃度為2.0 mol/L時(shí)，生成的CF@Cu中Cu粒子在CF骨架表面均勻致密分布，顯著改善了支撐載體對PEG的密封作用.在此基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)探究并表征了相變復(fù)合材料的熱物理性能.結(jié)果表明，制得的相變復(fù)合材料具有較高的潛熱儲(chǔ)存能力，其熔融熱焓高達(dá)145.2 J/g，且呈現(xiàn)出優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能（光熱轉(zhuǎn)換效率為83.8%）及控溫調(diào)溫性能，可以拓展相變材料在熱能管理等領(lǐng)域的應(yīng)用.