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面向中温储热的多元醇相变材料热物性的分子动力学模拟与实验研究

冯飙  
【摘要】:相变储热技术可以缓解热能供需矛盾、提高热能转化效率、推动太阳能和工业余热的综合梯级利用,对践行节能减排、力争完成我国“碳达峰”和“碳中和”的战略目标具有重要的现实意义。高性能相变材料的筛选与研发是相变储热技术发展的关键。近年来有机多元醇相变材料由于其较高的相变焓值,在约370–520 K的中温区间备受瞩目。与其他常见有机类相变材料(如石蜡和烷烃)相比,多元醇相变材料的特点之一是在其分子结构中含有多个极性较大的羟基。文献中已有一些研究对多元醇相变材料的宏观热物性(相变焓值和导热系数等)进行了表征,但对其热物性在微观层面的构效关系的理解还相对匮乏。例如,现有的实验测试与表征难以阐释晶体结构转变、羟基分布以及纳米添加物所引起的多元醇材料相变焓值的变化规律。虽然有研究者指出了羟基所形成的氢键对一元醇导热系数的影响,但是氢键对多元醇相变材料导热性能的贡献尚缺乏针对性的量化分析。此外,当封装在储热罐中时,多元醇相变材料与薄型金属外壳之间的接触热阻也会影响实际工程应用中相变储热系统的储/释热速率,有必要针对多元醇相变材料与金属界面间的接触热阻进行实验测试与微观界面导热机理研究。有鉴于此,本文采用分子动力学模拟方法对具有较高相变焓值的赤藓糖醇为代表的多元醇相变材料的关键热物性及其与金属界面间的热传导特性进行了微观层面的研究。首先对OPLS-AA、CHARMM、GAFF和GROMOS等四种可能适用于多羟基结构的分子力场进行了测试,通过对比实测的赤藓糖醇固液两态的密度和比热容等关键热物性验证了GROMOS是最合适多元醇相变材料的力场模型。在此基础上,采用界面/NPT方法复现了赤藓糖醇的微尺度熔化过程,并发现在固液相变过程中赤藓糖醇分子会由线性直链结构转变成非线性结构。这种结构变化引起的氢键键能的变化占赤藓糖醇总熔化焓值的45.5%,证明了大量氢键的存在是多元醇材料相变焓值较高的根本原因。因为赤藓糖醇的实测过冷度可高达100 K左右,在分子动力学模拟中也难以实现其结晶凝固过程,故本文以典型的一元醇相变材料正十六醇为替代研究对象分析了纳米添加物的引入对醇类材料相变焓值的影响机理。通过模拟发现在凝固过程中石墨烯纳米片附近的正十六醇分子会发生团聚现象,从而保持非线性的分子结构。这些受限的正十六醇分子对凝固焓值的贡献减弱,因此纳米复合相变材料整体的凝固焓值会低于有效介质理论的预测值。同样的,这些受限的正十六醇分子在熔化过程中吸收的相变潜热也相应较少,最终导致纳米复合相变材料的熔化焓值也相应降低。为改善纳米复合相变材料的相变焓值,本文进一步构建了羟基修饰石墨烯纳米片的简化氧化石墨烯模型,利用氧化石墨烯表面的羟基与正十六醇的羟基结合形成氢键,成功抵消了一部分相变焓值损失。通过实验制备并测试了氧化石墨烯-正十六醇纳米复合相变材料的相变焓值,验证了模拟的结果,为高焓值多元醇纳米复合相变材料的开发提供了可行的思路。为了研究氢键和晶体结构对多元醇相变材料导热性能的微观影响机理,本文分别以赤藓糖醇和典型的固固相变多元醇季戊四醇为对象,系统地研究了它们相变前后导热性能的差异。通过分析相变过程中晶体结构变化引起的氢键变化和导热系数变化之间的内在关联,揭示了氢键对多元醇相变材料分子间导热的贡献。在固态下,氢键数目越多、氢键键能越大则醇类相变材料的导热系数越高。为了充分利用氢键对醇类相变材料导热系数的贡献,本文提出并建立了一个基于正一元醇相变材料的“理想晶体”模型。通过模拟发现,在“理想晶体”结构中沿正一元醇分子链长度方向的导热是弹道式的,温度梯度很小;主要的导热温差集中在“理想晶体”分子层的界面处,而界面处羟基形成的氢键可以提高界面传热系数。该“理想晶体”结构可以将正一元醇相变材料的导热系数提高近1倍,为提升多元醇相变材料的本征导热系数提供了理论借鉴。最后,为了测试多元醇相变材料与金属界面间的接触热阻,本文提出了一种基于稳态热流法的改进型薄型材料接触热阻测试原理,设计并成功开发了相应的测试仪器。利用该自研仪器对赤藓糖醇与不同金属界面间的接触热阻进行了系统性测试,阐明了表面粗糙度和接触压力对多元醇相变材料与金属界面间接触热阻的影响规律。实验结果也验证了表面粗糙度越小、接触压力越大则接触热阻越小这一规律。此外,还通过模拟揭示了多元醇相变材料与不同金属界面处声子振动态密度耦合度的差异,从而辨别出了不同金属界面热传导能力的优劣,为实际储热系统中封装材料的选取和系统热设计提供了参考。综上所述,本文针对典型多元醇相变材料的若干关键热力学和输运性质开展了分子动力学模拟与实验研究,所得的结果有助于指导基于多元醇的高相变焓值、高导热复合相变材料的研究与开发,为中温区相变储热技术的进步和推广提供基础支撑。


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