正十八烷／泡沫相變復合材料蓄熱實驗研究

張靖馳盛 強童鐵峰任維佳

（1中國科學院太空應用重點實驗室中國科學院空間應用工程與技術中心 北京 100094；2中國科學院大學 北京 100049）

正十八烷／泡沫相變復合材料蓄熱實驗研究

張靖馳1，2盛 強1童鐵峰1任維佳1

（1中國科學院太空應用重點實驗室中國科學院空間應用工程與技術中心 北京 100094；2中國科學院大學 北京 100049）

通過實驗對相變復合材料的相變過程進行研究，將相變材料正十八烷（C18）分別填充到泡沫銅和泡沫碳中來提高相變材料的導熱性能，采用差示掃描量熱法（DSC）分析了正十八烷相變材料的熱物性。利用相變蓄熱裝置對三種不同材料（C18、C18／泡沫碳、C18／泡沫銅）進行蓄放熱對比實驗，記錄溫度測試數據，分析這三種不同材料的溫控性能與蓄熱能力，并與正十八烷的結果對比。結果表明：泡沫材料的填充大幅提高相變材料的溫控性能，使蓄熱裝置溫度分布更均勻。

蓄熱；相變；潛熱；正十八烷；泡沫碳

隨著電子元器件集成度越來越高，芯片工作時會產生很高的熱流密度，對電子元器件性能產生有害影響。為克服電子元件短時高功耗的問題，可應用相變材料蓄熱控溫，保證電子元件在最佳的工作溫度附近工作［1］。相變材料在相變過程中伴隨著大量的相變潛熱，能夠吸收或釋放大量的能量且相變過程近似等溫［2］，這一特性使其適合于周期性工作的電子元件的熱控［3］。石蠟類相變材料具有相變潛熱高、化學性質穩定、幾乎無過冷和相變分離現象、無腐蝕性、價格低等優點，且品種繁多，熔點跨度大，可以涵蓋不同的電子元件工作溫度范圍［4-5］。

然而，石蠟類相變材料存在導熱率低的缺點，這是限制其潛熱蓄熱廣泛應用的重要原因［6-7］。常用的強化相變材料導熱能力的措施有：在相變材料中添加金屬填料、石墨、肋片、進行膠囊封裝、將不同的相變材料進行組合等［8］。在幾種相變材料強化傳熱的方法中，高孔隙度的多孔介質泡沫材料由于高導熱性能和面密度被普遍認為有很好的應用前景［9］。當多孔介質泡沫材料和相變材料復合成定形相變材料后，泡沫材料本身的毛細力和表面張力會防止熔化后的液態相變材料出現泄漏［10］。采用高導熱的泡沫材料來改善相變材料傳熱性能，促進相變蓄熱能能夠真正得到廣泛利用［11-12］。相變復合材料在蓄熱過程中不僅利用了相變材料的相變潛熱，還利用了相變材料和泡沫材料的顯熱，泡沫材料的填充同時改善了空穴位置分布的控制［13-14］。

泡沫碳是一種在石墨基體中均勻分布大量連通孔洞的新型高導熱材料。相比于常見的膨脹石墨，泡

1 實驗方法

1.1 實驗材料

正十八烷為國藥化學公司生產，純度≥99.0%；泡沫銅為吉林卓爾科技股份有限公司生產，孔隙率分別為87%和94%；泡沫碳為航天材料及工藝研究所提供，孔隙率為81%。

1.2 實驗準備

圖1是相變蓄熱裝置結構示意圖。相變蓄熱裝置（C18、C18／泡沫碳、C18／泡沫銅）的結構尺寸一致，為φ76 mm×45 mm。薄膜電加熱片緊密貼附在相變蓄熱裝置的熱源面，選用8支Pt100熱電阻來測量相變蓄熱裝置不同位置的溫度分布情況，Pt100熱電阻的測溫誤差為±0.1℃，分別測量熱源面、熱源面對面的溫度。使用保溫海綿對蓄熱體進行隔熱包覆，減少外界環境對裝置的熱量交換，做到近似絕熱條件。

圖1 蓄熱裝置結構Fig.1 Structure of thermal energy storage device

圖2為蓄熱裝置蓄熱實驗臺示意圖。蓄熱裝置熱源面上的薄膜電加熱片功率為25 W（熱流密度q =5.5 kW／m2），加熱30 min；斷開電源，將相變蓄熱裝置完全暴露在空氣中，冷卻至室溫。數據采集板卡采集相變蓄熱裝置表面瞬時溫度，并錄入計算機中，數據采集頻率為1次／s。

圖2 相變蓄熱裝置實驗臺Fig.2 Schematic diagram of phase change thermal storage experimental set-up

2 實驗結果

2.1 正十八烷熱物性

DSC實驗使用的是德國耐馳儀器公司生產的差示掃描量熱儀（Netzsch STA409PC），溫升速率為3℃／min，溫升范圍為20～70℃，實驗過程用高純度氮氣保護，待基線穩定后，獲得相變材料熱物性測試結果如圖3所示，通過熱重曲線可以看出，C18在相變過程中基本沒有質量變化，通過DSC曲線可以看到，C18在熔化起始點出現在 22.6℃，終止點在31.7℃，相變吸熱峰值為28.1℃，存在明顯的固-液相變過程，相變潛熱值為225.3 kJ／kg。

圖3 正十八烷（C18）TG-DSC測試曲線Fig.3 TG-DSC test curves of n-octadecane（C18）

2.2相變復合材料熱物性

泡沫復合相變材料室溫下熱物性參數如表1所示，C18／泡沫碳復合材料的導熱系數為123 W／（m·K），孔隙率為0.94和0.87的C18／泡沫銅導熱系數分別為8 W／（m·K）和21 W／（m·K），而純C18的導熱系數僅有0.35 W／（m·K），泡沫材料對相變材料導熱系數的提升作用非常顯著。另一方面，C18／泡沫碳復合材料在導熱系數、單位質量蓄熱量的參數上均優于C18／泡沫銅復合材料。

表1 泡沫復合相變材料室溫下熱物性參數Tab.1 Thermophysical properties of foam com posite phase change materials in normal tem perature

2.3 蓄熱實驗

四組相變蓄熱裝置（C18、C18／泡沫碳、C18／泡沫銅Ⅰ、Ⅱ）加熱過程中熱源面溫度隨時間的變化曲線如圖4所示。四組相變蓄熱裝置溫度變化可以劃分為三個階段：固相階段，固-液兩相階段和液相階段。固相階段，蓄熱裝置主要依靠材料的顯熱吸收熱量；在固-液兩相階段，蓄熱裝置主要依靠相變材料的潛熱吸收熱量，C18／泡沫碳和C18／泡沫銅相變蓄熱裝置在此階段出現了明顯的溫度平臺期，溫度控制在33～38℃之間，而純C18溫度控制范圍為40～45℃之間，泡沫相變復合材料對溫度的控制更為優秀；在液相階段，石蠟完全熔化，蓄熱裝置主要依靠材料的顯熱吸熱，溫度曲線斜率突然變大。

頂面溫度隨時間的變化曲線如圖5所示。由于遠離熱源，頂面的溫度較低，但四組曲線的變化趨勢與熱源面溫度曲線基本相似。在相變蓄熱過程中固-液兩相階段，兩組泡沫相變復合材料的溫升曲線變化平穩，基本維持在C18相變點28℃附近，而純C18溫升速率沒有明顯降低。這是由于純C18的導熱率低，熱量無法快速傳遞到C18內部區域，導致裝置的鋁合金外殼溫度快速上升。

2.4 不同孔隙率C18／泡沫銅對比

對圖4兩種不同孔隙率的C18／泡沫銅（孔隙率分別為87%與94%）蓄熱裝置進行蓄熱實驗分析。可以看出在固-液兩相階段，孔隙率為87%的C18／泡沫銅對熱源面溫度控制的更為優秀。這是由于孔隙率越低，復合材料的導熱系數越高，熱源面的熱量能夠迅速轉移到蓄熱裝置的其他位置，使溫度分布更均勻。然而，孔隙率為87%的C18／泡沫銅蓄熱時間卻更短，率先進入液相階段，這是由于低孔隙率使相變材料的填充量減少，蓄熱能力降低。

圖4 加熱過程中熱源面溫度隨時間變化曲線（q=5.5 kW／m2）Fig.4 Heat source surface temperature variations of TSUs during the melting process（q=5.5 kW／m2）

圖5 加熱過程中頂面溫度隨時間變化曲線（q=5.5 kW／m2）Fig.5 Top surface temperature variations during the melting process（q=5.5 kW／m2）

2.5 溫差對比

圖6～圖8為不同熱流密度下C18／泡沫碳和C18／泡沫銅蓄熱裝置溫差隨頂面溫度變化曲線。可以看出，溫差隨熱流密度的增加而增加，q=11.0 kW／m2的溫差近似為q=5.5 kW／m2的兩倍。相變過程可以分為三個階段：固相階段、固-液兩相階段和液相階段。固-液兩相階段溫差突然上升，這是由于熱源面處的C18率先進入液相階段，顯熱吸熱導致其溫度上升較快，而其余區域仍處于相變階段，溫度基本維持不變，故導致溫差上升較快；而進入液相階段后，溫差逐漸降低到和固相階段相同的水平。從圖6、圖7、圖8的對比可知，q=11.0 kW／m2的工況，C18／泡沫碳裝置的溫差基本控制在12 K以下，而C18／泡沫銅的溫差控制在18 K以下；q=5.5 kW／m2的工況，C18／泡沫碳裝置的溫差基本控制在6 K以下，而C18／泡沫銅的溫差控制在10 K以下。C18／泡沫碳裝置溫度分布更為均勻。

圖6 C18／泡沫碳相變蓄熱裝置溫差隨頂面溫度變化曲線Fig.6 Effect of different heat flux on tem perature variations of C18／carbon foam TSU during the melting process

圖7 C18／泡沫銅Ⅰ相變蓄熱裝置溫差隨頂面溫度變化曲線Fig.7 Effect of different heat flux on tem perature variations of C18／copper foam TSUⅠduring the melting process

圖8 C18／泡沫銅Ⅱ相變蓄熱裝置溫差隨頂面溫度變化曲線Fig.8 Effect of different heat flux on tem perature variations of C18／copper foam TSUⅡduring the melting process

2.6 放熱實驗

圖9所示為在空氣中冷卻的蓄熱裝置熱源面溫度隨時間變化曲線。在相同冷卻條件下，純C18相變蓄熱裝置熱源面溫度冷卻至20℃所需時間約為16.5 h。泡沫相變復合材料蓄熱裝置熱源面溫度冷卻到20℃所需時間約為13.3 h，冷卻時間比純C18減少約20%。

圖9 空氣冷卻過程中熱源面溫度隨時間變化曲線（q=5.5 kW／m2）Fig.9 Heat source surface temperature variations of TSUs during the solidification process（q=5.5 kW／m2）

3 結論

本文采用實驗方法，制備了C18、C18／泡沫碳、C18／泡沫銅相變復合材料及其蓄熱裝置，在相同功率下進行蓄熱實驗，對三種材料的蓄放熱性能與溫控能力進行對比，得出如下結論：

1）泡沫相變復合材料溫控能力更為優秀。由于泡沫材料的骨架結構和填充率的因素使其換熱面積遠大于純相變材料，泡沫相變復合材料的傳熱性能更強。在蓄熱過程中，泡沫復合相變材料的升溫速率明顯降低；在放熱過程中，泡沫相變復合材料裝置溫度恢復至室溫的時間比純相變材料裝置更短。

2）C18／泡沫碳比C18／泡沫銅有更優秀的溫控能力、更高的蓄熱密度。C18／泡沫碳在蓄熱過程能夠更有效地控制熱源面溫度，減小熱源面與頂面的溫差，且由于其密度更小，適用于有輕質要求的領域。

3）泡沫材料的孔隙率越小，對溫度控制能力越優秀，但同時蓄熱時間會越短。

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About the corresponding author

Sheng Qiang，male，Ph.D.／assistant professor，Technology and Engineering Center for Space Utilization，Chinese Academy of Sciences，+86 10-82178223，E-mail：shengqiang_buaa＠126. com.Research fields：solid／liquid phase change thermal storage materials and thermal conductivity enhancement.

Thermal Storage Experiment of N-octadecane／Foam Phase Change Composite

Zhang Jingchi1，2Sheng Qiang1Tong Tiefeng1Ren Weijia1

（1.Key Laboratory of Space Utilization，Technology and Engineering Center for Space Utilization，Chinese Academy of Sciences，Beijing，100094，China；2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

The experimental investigation on the phase change processes had been carried out.N-octadecane（C18）was used as latent heat storage phase change material（PCM），in which copper foams and carbon foams were embedded to enhance the heat transfer.The thermal properties of C18 were measured by differential scanning calorimetry（DSC）.An experimental investigation on three thermal storage units（TSUs）with different kinds of materials filling state（C18，C18／carbon foam，C18／copper foam）had been carried out.The temperature data of TSUs had been recorded and analyzed.Compared to the results of pure C18 TSU，the effect of the foam materials on phase change heat transfer was very significant and made the temperature distribution more uniform.

thermal storage；phase change；latent heat；n-octadecane；carbon foam

TB34；TK02

A

0253-4339（2016）06-0061-05

10.3969／j.issn.0253-4339.2016.06.061

2016年2月22日沫碳有孔密度大、通孔率高、能夠維持自身形狀結構等特點，其導熱率是泡沫銅的5倍左右［15-16］。采用差示掃描量熱法（DSC）分析了正十八烷（C18）的相變溫度與潛熱，通過熱脈沖法測量了C18／泡沫碳相變復合材料的導熱系數。分別制備出C18、C18／泡沫碳、C18／泡沫銅相變蓄熱裝置，進行蓄、放熱實驗，分析實驗結果，對比研究不同相變材料的蓄熱裝置的儲熱、傳熱性能。

簡介

盛強，男，博士／助理研究員，中國科學院空間應用工程與技術中心，（010）82178223，E-mail：shengqiang_buaa＠126.com。研究方向：固液相變蓄熱材料及其傳熱強化技術。

國家自然科學基金（50876004）資助項目。（The project was supported by the National Natural Science Foundation of China（No. 50876004）.）