復合定型相變儲能材料ＳｉＯ_２／Ｎａ_２ＳＯ_４的性能研究

摘要試驗采用混合成形燒結的方法制備出SiO₂/Na₂SO₄復合定型相變儲能材料。本研究探討了復合定型相變儲能材料中基體材料SiO₂的制備工藝和含量﹑相變材料含量、礦化劑含量以及燒成制度對復合相變儲能材料強度和儲能效果的影響。利用DSC對復合定型相變儲能材料的儲能效果進行了表征，結果表明：當復合儲能材料中基體材料SiO₂含量為25wt%、外加礦化劑氟化鈉為5wt%(相對于石英質量)、燒結溫度為930℃、保溫時間為0.5h、升溫速率控制在2～7℃/min時，所制備的復合材料的儲能效果和穩定性較好。

關鍵詞相變儲能，制備工藝，礦化劑，燒成制度

1 引 言

能源是人類生存和發展的基礎，科學技術發展到今天，能源問題已成為制約人類物質和精神生活進一步提高的瓶頸。因此，如何開發出新的綠色能源以及提高原有能源的利用率一直都是現代科技界關注的焦點。

近年來，相變儲能材料(Phase Change Material，PCM)成為國內外能源利用和材料科學研究方面的熱點[1]。相變儲能材料在其物相變化過程中，能夠從環境吸收熱量或向環境放出熱量，從而達到儲存和釋放能量的目的，解決了能量供求在時間和空間上不匹配的矛盾，因而有效地提高了能源的利用率。同時由于相變儲能材料在其相變過程中溫度近似恒定，可以用于調整控制周圍環境的溫度，并且可以多次重復使用。由于這些特性，PCM材料在太陽能、電力“移峰填谷”、工業與民用建筑和空調的節能等領域有著廣闊的應用前景。將其應用于建筑節能領域的隔熱保溫墻體材料，不但可以提高墻體的保溫能力，節省采暖能耗，而且可以減小墻體自重，增加房屋的使用面積。由于相變材料的應用十分廣泛，它已成為一種日益受到人們重視的新材料。

2實 驗

2.1 實驗原料

實驗所用原料見表1所示。

2.2 試驗儀器設備

實驗所用儀器與設備見表2所示。

2.3 樣品制備

首先將SiO₂球磨，制備出試驗中所需的基體材料，稱取一定量的無水硫酸鈉后，加入適量的礦化劑球磨均勻，然后加入少量的粘結劑，干壓成形；最后干燥燒成。其工藝流程圖如圖1所示。

3結果分析與討論

3.1 儲能材料中基體材料和相變材料對儲能材料性能的影響

3.1.1 基體材料SiO₂的制備工藝對復合儲能材料性能的影響

在同樣組成的復合材料中，以超細粉SiO₂和過325目篩的SiO₂作為基體時的儲能效果如表3所示。

與過325目篩的SiO₂相比，超細粉SiO₂基體材料的粒度較小，處于高度分散狀態，與儲能材料可以很好地接觸，因此能包裹的儲能材料的數量就更多，儲熱值也越大；另外，由于超細粉SiO₂的粒度較小，其顆粒堆積形成的空隙也較小，在復合儲能材料的多次循環使用過程中，相變材料不易泄漏，復合相變材料的性能也更加穩定。

3.1.2 相變材料Na₂SO₄的含量對潛熱值的影響

圖2為復合儲能材料在最高溫度為930℃、保溫時間為0.5h的條件下，在燒結后的樣品中石英含量與燒結后硫酸鈉的含量和燒失量間（相對于相變材料的含量）的關系圖。

實驗中通過比較燒結后復合材料中硫酸鈉的含量和燒失量來確定其儲能效果。燒結后相變材料中硫酸鈉的含量越高，則儲能效果就越好；但隨著硫酸鈉含量的增加，基體材料不能充分包裹相變材料，致使相變材料出現部分裸露，在高溫情況下相變材料就會急劇揮發導致材料潛熱值的減小和形狀的改變；同時由于基體材料的相對減少，也使得材料的強度大幅下降；總之，當相變材料過高時，會導致儲能材料性能的總體下降。在試驗中發現：當相變材料硫酸鈉質量占復合材料質量75%、基體材料石英為25%時，復合相變材料的儲能效果較好。

3.2 礦化劑氟化鈉對復合儲能材料性能的影響

3.2.1 對復合儲能材料強度的影響

礦化劑可以降低復合儲能材料的燒結溫度，促進其燒結；另外，礦化劑與基體材料和相變材料發生固化反應形成中間產物，使反應物晶格活化，從而加速晶體生長，增加儲能材料的強度。從圖3可以看出：當礦化劑氟化鈉的加入量相當于石英質量的5%時，復合儲能材料的強度達到6.3MPa；隨著礦化劑加入量的增大，材料的強度提高的幅度不大，但此時由于礦化劑加入量的增加會導致相變材料在低溫下急劇揮發，從而使材料的儲能效果降低；當礦化劑的加入量在9～11%之間時，材料的抗壓強度開始下降。后面的實驗中選用礦化劑的加入量為5%。

3.2.2 對復合儲能材料儲熱值的影響

由圖4可知，當試驗中所加礦化劑氟化鈉的含量（wt%）為5%左右時，燒結后樣品中所含硫酸鈉的含量最好。礦化劑的加入有利于儲能材料儲熱效果的提高，因為它能降低燒成溫度，而相變材料的含量隨溫度升高而降低，溫度越低則相變材料揮發得越少。但加入量過小時，不能很好地發揮礦化劑的作用。當加入的量大于5%時，會引起過燒，導致基體材料不能很好地包裹住相變材料， 揮發量加大。

3.3 溫度制度對復合儲能材料性能的影響

3.3.1 燒結溫度和保溫時間對復合儲能材料性能的影響

圖5中曲線＃1﹑＃2和＃3分別表示保溫時間都為10min，燒成溫度分別為900℃﹑930℃和960℃時，燒成后樣品的DSC曲線圖。曲線＃2﹑＃4和＃5表示在燒成溫度均為930℃下，保溫時間分別為10min﹑30min和45min時的復合相變儲能材料的DSC曲線圖。

由圖5（1）可以看出，隨著燒成溫度的升高，儲能效果先升高然后降低。這是由于燒成溫度為900℃時，部分相變材料沒有發生相變，達到儲能的效果；隨著溫度升高，固體內部能夠充分地傳熱，從而使相變材料能夠充分發生相變，儲能效果更好；但隨著溫度進一步升高，相變材料開始揮發減少，從而導致相變材料含量的降低和儲能效果的下降。另外，從圖5（2）可知，＃4和＃5試樣的儲能效果優于＃2試樣，這是由于保溫時間的增長，固體內部的傳熱也更均勻，相變材料發生相變的過程也更充分，儲能的效果也更明顯。試驗結果表明：當復合儲能材料燒結溫度為960℃、保溫時間為30min時，儲能材料的儲能效果和強度都較好。

3.3.2 升溫速率對復合儲能材料性能的影響

在復合儲能材料的燒成中，升溫速率不宜過大，一般應控制在2～7℃/min；當燒成速率過大時，會造成相變材料的急劇揮發；同時，不能使相變材料與基體材料發生很好的固化作用；另外，升溫速率過大易導致復合儲能材料形狀的改變，不利于生產中的應用。

4老化速率的測定結果與分析

在高溫930℃下燒成、保溫30min的條件下，含有不同量的無水硫酸鈉復合儲能材料反復燒結15次后，測得樣品中所含的無水硫酸鈉質量以及燒失百分量，如圖6所示。從圖中可以看出，隨著復合相變儲能材料中相變材料的增加，老化速度也在增加。但老化速率增加的速率有所減小。

5結 論

材料的性能及其穩定性不僅取決于相變材料和基體材料，還取決于材料的制備工藝和燒成工藝。

（1） 在眾多因素中，復合材料的組成、燒結溫度和保溫時間是主要因素；升溫速率、顆粒度和外加輔助劑為次要因素。

（2） 儲能材料的含量隨基體材料顆粒度的減小而增加，應采用超細SiO₂粉。

（3） 實驗證明：當相變材料硫酸鈉質量占復合材料質量75%、基體材料石英為25%、外加礦化劑氟化鈉相當于石英質量的5%、燒結溫度為930℃，保溫時間為0.5h、升溫速率控制在2～7℃/min時，復合材料的儲能效果和穩定性較好。

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Research on Properties of SiO₂/Na₂SO₄Composite Phase

Change Energy Storage Materials

Wang Fang

(Jingdezhen Communist Party School JingdezhenJiangxi333000 )

Abstract: SiO₂/Na₂SO₄ composite shape-stabilized Phase Change Energy Storage Materials was prepared through dry press processing. Effects of preparation technologies for SiO₂， content of SiO₂、Na₂SO₄ and mineralizer with firing system on strength and themophysical properties were studied. Its thermophysical properties were measured by DSC. Shape-stabilized Phase Change Energy Storage Materials containing 25wt% SiO₂ and 5wt% sodium fluoride(relative to the weight of SiO₂)， which were heated at rate of 2～7℃/min under temperature of 930℃ and holding time 30min， have a high value of energy storage and a good stability.

Keywords: Phase Change Energy Storage，preparation technology，mineral，firing systerm