I鐵氧體/石墨烯-硬脂酸復(fù)合吸波相變儲熱材料的制備及其性能的研究摘要：本文通過共混法成功制備了Fe3O4/石墨烯吸波復(fù)合粉末，并研究了其吸波性能。確定了質(zhì)量配比Fe3O4：石墨烯=15：1時吸波性能最好。得出了在微波功率相同的條件下，復(fù)合粉末的吸波性能不隨加熱時間增加而改變的結(jié)論。此外，將硬脂酸與吸波材料進行熔融共混法制備，通過不同實驗組對比得出了，硬脂酸與復(fù)合吸波材料質(zhì)量比為50：1時相變材料的儲熱性能最好。同時，復(fù)合材料的熱重分析和拉曼光譜顯示其具有良好的熱穩(wěn)定性，石墨烯和Fe3O4成功摻雜于硬脂酸中，提升了硬脂酸的傳熱性能。在應(yīng)用方面，研究了復(fù)合吸波相變儲熱材料在電子設(shè)備散熱管理和電磁屏蔽方面的重要性，材料能吸收設(shè)備運行時產(chǎn)生的熱量與電磁輻射污染，能夠減少電磁輻射對人體和設(shè)備的傷害。同時，在建筑領(lǐng)域應(yīng)用可以智能調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，屏蔽外界電磁輻射，節(jié)能環(huán)保，為保護人體健康和促進建筑節(jié)能綠色發(fā)展提供了新的解決方案。關(guān)鍵詞：相變材料；硬脂酸；石墨烯；鐵氧體材料ResearchquestioncategoryinLiaoningAnshandialectAbstract:Firstly,thisarticlesuccessfullypreparedFe3O4/graphenecompositepowderforabsorbingelectromagneticwavesthroughahybridmethod,andstudieditselectromagneticwaveabsorptionperformance.ThestudyfoundthatthebestelectromagneticwaveabsorptionperformancewasachievedwhenthemassratioofFe3O4tographenewas15:1.Atthesamemicrowavepower,theelectromagneticwaveabsorptionperformanceofthecompositepowderdidnotchangewithincreasingheatingtime.Furthermore,throughthemeltblendingmethodofstearicacidandtheabsorbingmaterial,itwasfoundthatthemassratioofstearicacidtothecompositeelectromagneticwaveabsorbingmaterialwas50:1,whichhadthebestthermalstorageperformanceasphasechangematerialamongdifferentexperimentalgroups.FurtherthermalanalysisandRamanspectroscopyshowedthatthecompositematerialhadgoodthermalstability.ThedopingofgrapheneandFe3O4instearicacidimprovedtheheattransferperformanceofstearicacid.Intermsofapplication,theimportanceofcompositephasechangethermalstoragematerialforelectronicequipmentheatdissipationmanagementandelectromagneticshieldingwasstudied.Thismaterialcanabsorbtheheatgeneratedbyequipmentoperationandelectromagneticradiationpollution,reducetheharmofelectromagneticradiationtohumanbodyandequipment.Inaddition,itcanalsobeappliedinthefieldofarchitecturetointelligentlyregulateindoortemperature,shieldexternalelectromagneticradiation,promoteenergyconservationandenvironmentalprotection,andprovidenewsolutionsforprotectinghumanhealthandpromotinggreendevelopmentofthebuildingindustry.Keywords:Phasechangematerials;stearicacid;graphene;ferritematerials緒論1.1研究背景及意義在雙碳戰(zhàn)略背景下，將能源進行高效存儲運用至關(guān)重要。近些年，相變儲能理論和應(yīng)用迅猛發(fā)展，憑著能量密度高、制備簡單、成本低，設(shè)計靈活等特點早已應(yīng)用在許多領(lǐng)域之中，例如工業(yè)余熱回收、電力調(diào)峰調(diào)頻、新能源發(fā)電、建筑儲熱、電子設(shè)備調(diào)溫、紡織、汽車業(yè)等領(lǐng)域，影響著人們的衣食住行。由于目前相變材料的加熱方式都采用電爐絲加熱塊材，因為相變材料導(dǎo)熱能力較差，儲熱環(huán)節(jié)中相變材料容易產(chǎn)生溫度梯度，即材料表面溫度已經(jīng)達到了溫度限制，而內(nèi)部溫度又較低，從而降低儲熱材料的理論儲熱能力。因此，一種新的相變材料加熱機制迫切需要。1.2相變材料現(xiàn)狀相變儲熱作為儲能技術(shù)路線的一種，是一種隨溫度的改變，其相態(tài)也相應(yīng)產(chǎn)生變化，同時吸收或釋放能量的儲能材料。相變潛熱是相變到另一相所耗費的熱量。相變儲能材料多種多樣，相變過程可以是從固（s）到液（l），固（s）到氣（q）、固（s）到固（s）或從液（l）到氣（q）。與一般的固液相變和固氣相變狀態(tài)的材料相比，固-液相變材料的特點是擁有較高的儲熱密度，相變過程中體積變化較小，成為了相變儲熱中最常用的介質(zhì)。而固-液相變材料中，硬脂酸因具有無毒、耐腐蝕、相變過程中體積變化小、熱性能穩(wěn)定等優(yōu)點備受關(guān)注REF_Ref23861\r\h[2]。其相變溫度為70℃,相變潛熱高達200J/g的硬脂酸在熱能儲存領(lǐng)域,特別是在太陽能利用REF_Ref23900\r\h[3]、節(jié)能建筑REF_Ref23955\r\h[4]REF_Ref23962\r\h[5]REF_Ref23965\r\h[6]、余熱回收REF_Ref24008\r\h[7]等方面得到了廣泛應(yīng)用。但與大多數(shù)的有機相變材料相同，導(dǎo)熱系數(shù)低成為了制約其快速發(fā)展與應(yīng)用的因素。所以，研究學(xué)者們通過將其與其他材料復(fù)合來改善它的導(dǎo)熱性能。其中Li等REF_Ref23900\r\h[3]將膨脹石墨復(fù)合,極大的提升了硬脂酸的導(dǎo)熱能力。Li等REF_Ref24252\r\h[13]將石墨片與之復(fù)合，將硬脂酸的導(dǎo)熱能力提高了原來的十倍有余。1.3吸波材現(xiàn)狀概括吸波材料目前分為碳基吸波材料、鐵氧體材料、陶瓷系材料等，其中鐵氧體材料應(yīng)用最早也是最廣泛的材料，碳系材料也在不斷發(fā)展，其中被稱為“可以改變世界的材料——石墨烯”是當下炙手可熱的吸波材料。1.3.1碳基吸波材料碳基吸波材料主要包括炭黑REF_Ref6139\r\h[17]、石墨烯(Graphene)REF_Ref6443\r\h[18]、碳納米管(CarbonNanotubes，簡稱CNTs)REF_Ref6671\r\h[19]等。石墨烯等碳材料被報道為性能最好、儲量最豐富的吸波材料，并且在電磁隱身、信息安全等電子戰(zhàn)和微波設(shè)備的高科技領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。然而，碳材料性能始終受到限制。由于功率或介電損耗單一的衰減機制，難以大范圍吸波。在過去的幾十年里，石墨烯因其在能源、信息、醫(yī)藥、軍事裝備和航空航天等各個領(lǐng)域的多種功能和廣泛的應(yīng)用而受到長期追捧[28]。特別是在電磁波吸收和屏蔽領(lǐng)域，得到了大量報道，被推廣為最前沿的課題。石墨烯作為有著特殊的單層原子的平面材料，具備獨特的、遠超常規(guī)的一些物理化學(xué)性能，例如極高的電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率和比表面積巨大等。這讓石墨烯在多個研究方向都具備美好的未來。超薄的石墨烯因其以上特點，在電力設(shè)備電磁屏蔽領(lǐng)域擁有無可比擬的優(yōu)勢1.3.2鐵氧體材料鐵氧體是鐵氧元素各類化合物通過磁滯損耗等吸收電磁波，具有良好的吸波特性。鐵氧體可分為尖晶石型REF_Ref8167\r\h[21]、石榴石型REF_Ref8167\r\h[21]和磁鉛石型三種類型，其中前兩種作為吸波劑。鐵氧體由于電阻率較高，介電常數(shù)小，既可避免趨膚效應(yīng)，保持較高的磁導(dǎo)率，又可與其他吸收劑復(fù)合調(diào)整吸波性能，因此被廣泛應(yīng)用。Fe3O4成本低廉，吸波性能較好，在吸波領(lǐng)域內(nèi)被應(yīng)用頻率高，但磁導(dǎo)率受微波頻率影響較大、密度大制約了其大規(guī)模推廣。石墨烯作為一種介電材料，與鐵氧體進行復(fù)合可以進一步提高其綜合吸波性能，Peng等REF_Ref17996\r\h[22]采用水熱法，制備了Co0.33Ni0.33Mn0.33Fe2O4與石墨烯復(fù)合形成復(fù)合吸波材料，發(fā)現(xiàn)了復(fù)合材料的吸波性能相較于兩種前體材料都提升了很多，且吸波頻帶也變寬。綜上所訴鐵氧體具有出色的磁性能，且制備成本較低，因而成為應(yīng)用最廣泛的吸波劑，具有吸收效果好、涂層薄的優(yōu)點，低頻范圍內(nèi)的磁導(dǎo)率較高，介電常數(shù)較小，容易與其他材料進行匹配制成復(fù)合材料。不足之處是密度大、溫度穩(wěn)定性較差，影響了部件的性能。石墨烯有望與鐵氧體復(fù)合形成兼具鐵磁性和導(dǎo)電性的復(fù)合吸收材料，滿足理想吸波材料的各項要求。1.4主要研究內(nèi)容本文將制備一種既有高導(dǎo)熱性又有吸波性能的相變儲熱材料，提出一種新的能量轉(zhuǎn)換和存儲機制并對其進行性能表征。首先確定以硬脂酸作為相變材料，以石墨烯和Fe3O4作為吸波材料，通過實驗得出Fe3O4/石墨烯最佳吸波性能質(zhì)量配比的復(fù)合粉末；將硬脂酸與制備好的吸波材料通過熔融共混法復(fù)合，通過對照試驗得出吸波材料與相變材料最優(yōu)質(zhì)量比，強化硬脂酸的傳熱性能，并提供一種新的加熱相變材料的機制，通過石墨烯與鐵氧體復(fù)合材料的介電損耗和磁滯損耗，為硬脂酸提供熱量，并對制備出的復(fù)合材料進行表征‘通過熱重分析及拉曼光譜分析，得出其熱穩(wěn)定性以及各材料之間的摻雜情況；根據(jù)復(fù)合材料的吸波性能與相變性能，對材料的應(yīng)用前景進行探討。實驗材料及主要表征方法2.1實驗材料實驗中所涉及到的藥品信息，如表2-1所示。表2-1藥品名稱化學(xué)式生產(chǎn)廠家純度硬脂酸C18H36O2天津市華盛化學(xué)試劑有限公司分析純石墨烯C深圳市穗衡科技有限公司≥99.5%氧化鐵Fe3O4比斯利新材料（蘇州）有限公司≥99.5%無水乙醇C2H60國藥集團化學(xué)試劑有限公司99.70%去離子水H2O2.2實驗儀器實驗中所涉及到的儀器信息，如表2-2所示。表2-2實驗儀器型號生產(chǎn)廠家磁力攪拌器MMS4pro群安科學(xué)儀器（浙江）有限公司高精密分析天平FA2004群安科學(xué)儀器（浙江）有限公司集熱式磁力攪拌器WBS-6pro群安科學(xué)儀器（浙江）有限公司移液器1-10ml群安科學(xué)儀器（浙江）有限公司真空干燥箱DZF-6260上海一橫科學(xué)儀器有限公司拉曼光譜分析儀RamanRE01英國Renishaw公司同步熱分析儀TGA/DSC1梅特勒-托利多有限公司2.3實驗樣本的組成成分表征方法為有效表征樣品的材料成分，特別是石墨烯、Fe3O4、硬脂酸的有效含量，本文采用拉曼光譜分析（Ramanspectroscopy）對材料進行表征。基于印度科學(xué)家C.V.拉曼（Raman）發(fā)現(xiàn)的散射效應(yīng)，而產(chǎn)生了Ramanspectroscopy，進而產(chǎn)生了Raman散射光譜。Ramanspectroscopy通過對不同入射光頻率的散射光譜進行分析后，獲得分子振動方位等方面的信息，并從而用以結(jié)構(gòu)組成研究的一種測試方案。拉曼光譜分析基于材料內(nèi)的基團會影響樣品上發(fā)生的光散射這一原理進行樣品結(jié)構(gòu)分析。當入射光中的光子與靶粒子碰撞時會發(fā)生光散射，大部分散射的光的頻率不變，少部分發(fā)生頻率改變，其中一些較為明顯地方記為發(fā)生了拉曼散射。通過測量拉曼散射中的頻率的變化情況，可以獲得樣品中分子振動、分子轉(zhuǎn)動等分子結(jié)構(gòu)信息。拉曼光譜是一種非常重要的光譜分析技術(shù)，利用拉曼效應(yīng)進行分析。在進行拉曼光譜分析時，一束單色光照射到樣品表面，樣品會發(fā)生光子的散射，其中大部分是經(jīng)典散射，但極少部分光子的能量發(fā)生改變，這種光子的散射稱為拉曼散射。拉曼光譜分析原理基于這種拉曼散射現(xiàn)象，通過測量散射光的波長和強度，可以得到樣品的分子振動、轉(zhuǎn)動等信息?？偟膩碚f，拉曼光譜分析原理是基于拉曼散射現(xiàn)象，通過測量樣品散射光的頻率和強度，獲取樣品的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)信息。這種分析技術(shù)在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的應(yīng)用價值。2.4實驗樣本的熱穩(wěn)定性表征方法本文采用同步熱分析儀，為測試樣品的熱穩(wěn)定性與復(fù)合相變膠囊的工作溫度范圍，對樣品進行了熱重量分析（ThermogravimetricAnalysis，TGA）。本研究中的相變材料選用硬脂酸，硬脂酸的相變溫度為70℃，所以70℃左右存在其吸收熱量的最佳工作溫度。為了確定復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性，以及確定復(fù)合材料在高溫下的分解信息，有必要對其進行熱重量分析。實驗在氧氣氣體氛圍下進行，熱重分析溫度范圍25℃~600℃，升溫速率為10℃·min-1。熱重量分析是一種常用的物質(zhì)分析技術(shù)，其原理是通過同時測量樣品的質(zhì)量和溫度來研究樣品在升溫或降溫過程中的質(zhì)量變化，進而揭示樣品的熱性質(zhì)和熱分解過程。在熱重量分析中，樣品通常被加熱至一定溫度范圍內(nèi)，監(jiān)測樣品質(zhì)量隨溫度的變化，通過記錄樣品的質(zhì)量變化曲線，可以得到樣品的熱重量曲線。當樣品受熱時，會發(fā)生物理或化學(xué)變化，導(dǎo)致質(zhì)量的變化。通過熱重量分析，可以獲得樣品的熱穩(wěn)定性、熱分解溫度、失重情況等信息。通過對樣品在不同溫度下的質(zhì)量變化進行分析，可以確定樣品的熱性質(zhì)，如熱容量、熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)等參數(shù)，進而幫助科研人員了解樣品的熱學(xué)性質(zhì)及其熱穩(wěn)定性，為材料的研究和開發(fā)提供重要參考。總之，熱重量分析的原理是通過測量樣品在升溫或降溫過程中的質(zhì)量變化，來揭示樣品的熱性質(zhì)和熱分解過程，為材料研究和分析提供重要的信息。Fe3O4/石墨烯吸波復(fù)合材料的制備及其性能研究3.1引言鐵氧體是研究最早的一種吸波金屬化合物材料，其制作成本低廉且有出色的磁性能，成為了應(yīng)用最廣泛的吸波材料。鐵氧體由單一或多個組分的金屬與氧原子共同組成，鐵氧體的磁導(dǎo)率、電阻率和阻抗匹配性能都較為優(yōu)秀，盡管其具有諸多優(yōu)勢，但存在吸收頻帶窄、密度大及熱穩(wěn)定性差等缺點。而作為“會改變世界的材料”石墨烯是世界上已知材料中厚度最小、最堅硬、導(dǎo)熱性最好的材料，但其大規(guī)模生產(chǎn)成本仍然較高，無法普及。所以石墨烯有望與鐵氧體復(fù)合形成兼具鐵磁性和導(dǎo)電性的復(fù)合吸收材料，滿足理想吸波材料的各項要求。3.2Fe3O4/石墨烯吸波復(fù)合材料的制備用高精度克數(shù)稱分別稱取0.5gFe3O4和0.1g石墨烯粉末，將其加入5ml容量試管中，加入4mL去離子水，加入磁子，在高速磁力攪拌器下以1500轉(zhuǎn)每分鐘的轉(zhuǎn)速攪拌10min，如圖3-1。圖3-1將所得混合溶液轉(zhuǎn)移至水熱反應(yīng)釜中，在真空干燥箱180℃下反應(yīng)20h。產(chǎn)物分別用蒸餾水和乙醇洗滌，在100℃下真空干燥5h后得到粉末備用。分別稱取0.545g、0.5625、0.5714gFe3O4粉末與0.055g、0.0375g、0.0286g石墨烯粉末，配成質(zhì)量比分別為10：1、15：1、20：1的石墨烯/Fe3O4粉末，重復(fù)以上步驟得到四種配比的復(fù)合粉末，再分別稱取0.6g的石墨烯Fe3O4粉末備用。3.3Fe3O4/石墨烯吸波復(fù)合材料吸波性能研究分別稱取0.1g不同配比的復(fù)合粉末，將其分散于3ml的去離子水中超聲處理5min后，測量混合液中初始溫度，分別在150w的微波爐中加熱5分鐘并測量其溫度。表3-1150W微波爐加熱不同質(zhì)量比粉末溫升Fe3O4：石墨烯質(zhì)量比功率（W）時間(min)溫升(℃)5：115055210：115055315：115055720：1150556Fe3O4150550石墨烯150548由表1可以看出，F(xiàn)e3O4/石墨烯吸波復(fù)合材料升溫效果相比于純Fe3O4和純石墨烯要好，且Fe3O4與石墨烯質(zhì)量比為15：1的粉末溫升最高，所以其吸波性能相較于其它組為最佳配比。表3-2150W微波爐加熱不同時間的Fe3O4與石墨烯質(zhì)量比15：1的復(fù)合粉末溫升質(zhì)量（mg）功率（W）時間(min)溫升(℃)1015014510150375101505751015077610150975由表2可得，在質(zhì)量相同，微波功率相同條件下，復(fù)合粉末在達到一定的溫升效果情況下，不會再隨著加熱時間的增長而變化。3.4結(jié)論本實驗通過共混法成功制備了Fe3O4/石墨烯吸波復(fù)合粉末，并且對其吸波性能進行了研究。通過改變不同質(zhì)量配比，不同加熱時間得出了最佳吸波性能質(zhì)量配比（Fe3O4：石墨烯=15：1）的復(fù)合粉末，且在微波功率相同條件下，復(fù)合粉末在達到一定的溫升效果情況下，不會再隨著加熱時間的增長而變化的結(jié)論。鐵氧體/石墨烯-硬脂酸復(fù)合吸波相變儲熱材料的制備及其性能的研究4.1引言相變材料，是指其隨溫度的改變相態(tài)也隨之發(fā)生變化，它是一種能同時吸收或釋放能量的儲能材料。目前一般利用相變材料在相態(tài)變化過程中吸收或釋放熱量的特點應(yīng)用于儲熱、儲能、環(huán)境調(diào)溫、建筑、節(jié)能等多個領(lǐng)域，其大規(guī)模的普及將影響著人們的衣食住行方方面面。相變潛熱是相變到另一相所耗費的熱量。相變儲能材料多種多樣，可從相變狀態(tài)的種類進行分類。相變過程可以是從固（s）到液（l），固（s）到氣（q）、固（s）到固（s）或從液（l）到氣（q）。與一般的固液相變和固氣相變狀態(tài)的材料相比，固液相變材料由于其具有潛熱密度高、體積變化小的優(yōu)勢，成為了相變儲熱中最常用的介質(zhì)[11]。固-液相變材料中最典型的就是脂肪酸類有機相變材料，脂肪酸中極具潛力的相變材料便是硬脂酸(SA)又名十八烷酸，其化學(xué)表達式為C18H36O2,熔點約為70.7℃,相變潛熱約203kJ/kg[任務(wù)書]，具有理化性能穩(wěn)定、無相分離、過冷度小、無毒無腐蝕且固態(tài)成型較好等諸多優(yōu)點。盡管相變材料多種多樣，優(yōu)點諸多便于選擇，但在實際應(yīng)用中仍然具有單一材料中，導(dǎo)熱性差、相變材料易泄漏等缺點。針對這些缺點可將其與其他材料復(fù)合從而改善，例如將其與石墨類材料、金屬粒子、泡沫金屬等材料復(fù)合，可提高相變材料導(dǎo)熱系數(shù)。通過微膠囊技術(shù)又可增加其與換熱器接觸面積從而強化傳熱。通過微膠囊技術(shù)、物理共混定型或吸附載體、化學(xué)改性聚合高分子材料等手段又可解決相變材料易泄漏等缺點。將硬脂酸與吸波材料復(fù)合，將改善相變材料導(dǎo)熱性差強化其傳熱性能，又可提供一種新的加熱相變材料的機制，通過石墨烯與鐵氧體復(fù)合材料的介電損耗和磁滯損耗，可將電磁波吸收轉(zhuǎn)化為熱量，為硬脂酸提供熱量，且由于石墨烯和Fe3O4都為納米級粉末，通過熔融共混法可均勻分散于相變材料中，為其均勻供熱，解決相變材料加熱不均勻影響循環(huán)使用壽命等缺點。本章通過熔融共混法制備相變復(fù)合材料，通過測試多個樣本數(shù)據(jù)確定了吸波材料與相變材料最優(yōu)質(zhì)量比為50：1，并對其進行熱重分析及拉曼光譜分析，對其熱穩(wěn)定性及其組成成分進行了表征。4.2鐵氧體/石墨烯-硬脂酸復(fù)合吸波相變儲熱材料的制備鐵氧體/石墨烯-硬脂酸復(fù)合吸波相變儲熱材料采用熔融共混法制備，包括以下幾個步驟：原料準備：準備Fe3O4納米顆粒、石墨烯和硬脂酸等原料。Fe3O4、石墨烯具有良好的導(dǎo)熱性能與吸波性能，硬脂酸為本研究中相變材料。吸波材料的充分混合：將Fe3O4納米顆粒和石墨烯按照一定的比例混合，加入去離子水，在攪拌器中高速攪拌20min，將所得混合溶液轉(zhuǎn)移至水熱反應(yīng)釜中，在真空干燥箱180℃下反應(yīng)20h。產(chǎn)物分別用蒸餾水和乙醇洗滌，在100℃下真空干燥5h后得到粉末備用。材料熔融共混：硬脂酸在常溫下為固態(tài)粉末，將其與吸波復(fù)合納米材料通過物理攪拌法初步混合，由于硬脂酸的相變溫度在70℃左右，加熱時需將溫度稍高于其相變溫度，所以將水浴磁力加熱攪拌器設(shè)置溫度為80℃，轉(zhuǎn)速為1200r/min,攪拌30min。所得材料相變狀態(tài)為液相，如圖4-1。圖4-1相變材料的定型：復(fù)合相變材料的定型方式有多種，包括微膠囊包埋法，其具有良好的穩(wěn)定性和封裝性能，由于粒徑較小應(yīng)用較為靈活；物理共混定型/吸附載體法，可通過石墨烯氣凝膠、膨脹石墨、金屬泡沫、硅藻土、粉煤灰等材料與相變材料共混以達到定型目的；同時將相變材料化學(xué)改性聚合為高分子材料也可定型解決相變材料易泄漏等缺點。本材料相變溫度較低，無毒且性質(zhì)穩(wěn)定，可通過改變環(huán)境溫度在固液相轉(zhuǎn)變，適用于絕大多數(shù)定型方法。材料性能表征：對制備好的鐵氧體/石墨烯-硬脂酸復(fù)合吸波相變儲熱材料進行性能測試，包括磁性能、導(dǎo)熱性能、相變儲熱性能等方面的表征，確保材料達到預(yù)期的性能要求。通過以上制備方法，可以獲得具有優(yōu)異吸波性能和相變儲熱性能的鐵氧體/石墨烯-硬脂酸復(fù)合材料，為熱管理領(lǐng)域，電子設(shè)備散熱管理與電磁輻射屏蔽領(lǐng)域提供了一種新型的功能材料解決方案。4.3研究吸波材料含量對相變復(fù)合材料性能的影響4.3.1導(dǎo)熱性能相變材料的導(dǎo)熱率影響著其儲放熱速率，對相變性能起著重要的影響，導(dǎo)熱率太低的材料難以進入市場大范圍推廣，而目前提高相變材料導(dǎo)熱性能的方法有：加入導(dǎo)熱粉制成復(fù)合相變材料，改變換熱器形態(tài)增加翅片或增加熱管以致于加大相變材料與換熱器的接觸面積，其中加入高導(dǎo)熱性的導(dǎo)熱粉是直接增加相變材料導(dǎo)熱性的最佳方法。石墨烯是目前導(dǎo)熱性能最佳的材料，鐵氧體也有著不俗的導(dǎo)熱性能，兩者混合既能彌補石墨烯價格高昂的缺點，也能加強鐵氧體的導(dǎo)熱能力。蔡迪[67]等將石墨烯納米片作為添加劑，制備了納米石墨烯片/正十八烷復(fù)合相變材料，探究了石墨烯納米片含量對復(fù)合相變材料導(dǎo)熱系數(shù)、熱穩(wěn)定性及相變溫度等多方面的影響。結(jié)果表明，與純正十八烷相比，該復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨著石墨烯納米片含量的增加而增大，當石墨烯納米片質(zhì)量分數(shù)為2%時，該復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)提高了89.40%。將吸波材料（質(zhì)量比為15：1的Fe3O4/石墨烯復(fù)合粉末）質(zhì)量分數(shù)為10%、5%、3%、2%、1%的復(fù)合相變材料放入水浴鍋中加熱，設(shè)置溫度80℃，根據(jù)實驗現(xiàn)象很容易得出吸波材料占比越高，復(fù)合相變材料的融化速度更快。由于本研究對復(fù)合材料的加熱方式為微波加熱，固將上述材料分別置于家庭微波爐中火加熱，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量分數(shù)為10%，5%的實驗組，在加熱過程中出現(xiàn)大量白煙并且伴有刺鼻味道，即硬脂酸煙霧。固Fe3O4/石墨烯復(fù)合粉末質(zhì)量分數(shù)不得超過5%。4.3.2相變性能相變材料的相變性能包括相面溫度、相變潛熱、相變材料的晶體結(jié)構(gòu)和微觀形貌、相變速率、相變反應(yīng)時間、材料穩(wěn)定性及其壽命等，研究其相變性能可深入了解此類材料，對應(yīng)用可提供重要參考。由于微波加熱環(huán)境下，F(xiàn)e3O4/石墨烯復(fù)合粉末質(zhì)量分數(shù)不得超過5%。固實驗組僅設(shè)置3%、2%、1%、0%的復(fù)合相變材料樣本。將相同量的相變復(fù)合材料放入家庭微波爐中，火力設(shè)置為中高火加熱20s，20秒后從家庭微波爐中取出時復(fù)合材料溫度分別為96℃、90℃、82℃、63℃，可以發(fā)現(xiàn)未添加有吸波粉末的樣本仍為固態(tài)，記錄各個樣本開始凝固時的溫度，可以得出吸波粉末占比較少時，對相變材料硬脂酸的相變溫度影響較少，不改變其相變溫度。在微波過程中，可以明顯觀察到吸波粉末占比越高，復(fù)合材料融化的更快，反應(yīng)時間越快，同時由于吸波材料占比高，相應(yīng)的相變材料占比變小，凝固速度相比其它組也會增快。將相同量的相變復(fù)合材料放入家庭微波爐中，火力設(shè)置為中高火加熱相同時間，將加熱后的相變材料同時分別放入四個不同燒杯中，燒杯內(nèi)加有相同量的室溫下的水，持續(xù)觀察和記錄燒杯內(nèi)水溫度的變化，記錄四個燒杯內(nèi)水的溫度恢復(fù)常溫下的時間t，按照吸波粉末容量占比從高到低分別記為t1、t2、t3、t4，容易得出t2＞t1＞t3＞t4，原因是吸波粉末占比3%容量的相變材料盡管對水的升溫速度最快，但其由于相變材料硬脂酸占比最低，降低了相變潛熱，所以吸波材料（質(zhì)量比為15：1的Fe3O4/石墨烯復(fù)合粉末）質(zhì)量分數(shù)為2%的復(fù)合材料相變潛熱最大，也有不錯的相變反應(yīng)速度。4.3.3形態(tài)穩(wěn)定性由于硬脂酸有著較強的穩(wěn)定性，石墨烯與鐵氧體穩(wěn)定性也很強，通過簡單的熔融共混法得出的復(fù)合材料依然具有不錯的穩(wěn)定性，傳統(tǒng)相變儲熱系統(tǒng)的加熱方式一般都采用電爐絲捆綁在儲熱材料外加熱，此加熱方式僅加熱材料表面，存在材料表面溫度高而內(nèi)部溫度低，受熱不均勻儲熱材料能量利用率低減少其使用壽命，固本研究的相變儲熱材料不僅有較高的儲熱反應(yīng)速率而且有材料加熱均勻，壽命高的特點。4.4鐵氧體/石墨烯-硬脂酸復(fù)合吸波相變儲熱材料的表征4.4.1熱穩(wěn)定性分析為詳細了解復(fù)合相變材料的熱性能，有必要對其進行熱重分析。通過控制樣品在10℃·min-1升溫速度下受熱至高溫，測出質(zhì)量與溫度的關(guān)系，得到樣品的熱重分析圖。稱取一定量的復(fù)合相變材料樣本，將其放入熱重天平中，在氧氣氣氛下加熱。記錄樣品的質(zhì)量隨溫度的變化曲線，如圖4-2所示，可以觀察到其在升溫過程中在180℃以下穩(wěn)定，溫度超過200℃時相變材料進行了圖4-2分解，且在280℃有二次失重，在正常工作溫度，空氣氛圍下，本復(fù)合相變材料的熱穩(wěn)定性要更好。4.4.2對復(fù)合相變材料進行拉曼光譜分析拉曼光譜是一種非破壞性分析技術(shù)，能夠提供關(guān)于材料分子振動、晶格結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)等信息，有助于揭示材料的結(jié)構(gòu)特征和性能。在圖4-3中可以很明顯的觀察到在針對硬脂酸成分，其特征峰出現(xiàn)在2881cm-1位置，涉及到甲基-CH伸縮振動，2845cm-1位置的-CH2-對稱伸縮振動，1449cm-1位置是硬脂酸的羥基-OH面內(nèi)彎曲振動，1459cm-1位置為-CH3反對稱變形震動。而對于Fe3O4成圖4-3分，其特征拉曼峰出現(xiàn)在250-700cm-1范圍內(nèi)，主要涉及鐵氧晶格振動和鐵氧鍵振動。石墨烯的拉曼光譜主要關(guān)注其典型的特征峰1580cm-1位置，表明石墨烯的石墨化程度。如圖4-4圖4-4在進行拉曼光譜分析時，需要綜合考慮各組分的特征峰、相互作用對光譜的影響以及復(fù)合材料的相變性質(zhì)，通過對光譜數(shù)據(jù)的細致解讀和比對，可得出硬脂酸已成功摻雜了Fe3O4與石墨烯成分。4.5小結(jié)本章將硬脂酸與制備好的吸波材料通過熔融共混法制備復(fù)合，通過對照試驗得出了吸波材料與相變材料最優(yōu)質(zhì)量比為50：1，改善了相變材料導(dǎo)熱性差的缺點強化了硬脂酸的傳熱性能，又提供了一種新的加熱相變材料的機制，通過石墨烯與鐵氧體復(fù)合材料的介電損耗和磁滯損耗，為硬脂酸提供熱量。且由于石墨烯和Fe3O4都為納米級粉末，通過熔融共混法可均勻分散于相變材料中，為其均勻供熱，解決相變材料加熱不均勻影響循環(huán)使用壽命等缺點。并對制備出的復(fù)合材料進行了熱重分析及拉曼光譜分析，得出其熱穩(wěn)定性較好，石墨烯與Fe3O4成功摻雜于相變材料硬脂酸內(nèi)部的結(jié)論。鐵氧體/石墨烯-硬脂酸復(fù)合吸波相變儲熱材料的應(yīng)用5.1引言相變材料的應(yīng)用市場潛力極大，但要根據(jù)其相變溫度、相變焓、響應(yīng)速度等相變特性去選擇，根據(jù)相變材料的溫度可將其分為：高溫儲能材料（＞420℃）、中溫儲能材料（220~420℃）和低溫儲能材料（＜220℃）。高溫相變材料主要有無機鹽、合金及金屬，其特點是工作溫度相比其他材料更高，儲能能力更強，所以多應(yīng)用于工業(yè)余熱回收、電力調(diào)峰調(diào)頻、新能源發(fā)電領(lǐng)域當中。金屬及其合金相較于無機鹽沒有那么多的應(yīng)用限制，它的導(dǎo)熱系數(shù)更是熔鹽的幾十甚至幾百倍，表現(xiàn)出了優(yōu)異的融化潛熱，其中應(yīng)用最廣泛的就是鋁合金，AlSi合金作為高溫儲熱系統(tǒng)中最具潛力的材料應(yīng)用前景十分廣闊。陶瓷材料與無機鹽的復(fù)合在市場中也較為火爆，其具有的耐高溫、耐腐蝕等性能不僅強化傳熱還具有相變材料定形的作用。黏土礦物復(fù)合無機鹽通常被用于高溫相變材料中的支撐，其中硅藻土具有成本低、耐腐蝕和高溫穩(wěn)定性的優(yōu)點，有研究表明其在經(jīng)過兩百余次的熱循環(huán)測試沒有發(fā)生材料泄漏等現(xiàn)象，依然有著較高的潛熱與熱穩(wěn)定性。常見的無機鹽有硫酸鹽、氟化物氫氧化物等，都具有工作溫度高、熱穩(wěn)定好等優(yōu)點，其中鈣鹽的成本相對較低但存在著應(yīng)用過程中易泄漏，無法快速導(dǎo)熱、腐蝕容器、成本高等問題，對其進行微膠囊封裝或改善封裝方式，復(fù)合導(dǎo)熱粉可解決這些問題，由于石墨烯具有最優(yōu)的導(dǎo)熱能力，工業(yè)中通常加入膨脹石墨、氧化石墨烯等改善其導(dǎo)熱性，但相變材料的加熱方式仍然為傳統(tǒng)加熱，將本研究的儲熱機制，在高溫儲能材料當中摻雜吸波材料，不僅提高材料導(dǎo)熱率，而且新的儲熱機制優(yōu)化了其在工業(yè)應(yīng)用的壽命與能源利用效率。中溫相變材料的研究相較于低溫高溫范圍的材料較少，但由于能源的枯竭和發(fā)展新能源的迫切需求，不斷提高了對中溫儲能材料的研究。中溫材料包括金屬及合金，無機鹽和部分有機材料，其中金屬及合金的相變溫度較高，導(dǎo)熱和熱穩(wěn)定性較好，目前大規(guī)模的應(yīng)用在了太陽能、風(fēng)能等新型能源熱發(fā)電的儲熱系統(tǒng)中，在中溫相變系統(tǒng)中，以固-固相變?yōu)橹?，主要包括一些高分子類、多元醇等材料，但在?yīng)用中也使用部分的低溫材料與之復(fù)合，本研究的鐵氧體/石墨烯-硬脂酸吸波復(fù)合相變材料可以為其提供更多熱能管理的新思路。本文研究的相變材料為硬脂酸，其相變溫度為70℃，屬于低溫儲能領(lǐng)域范疇，低溫儲能材料廣泛的應(yīng)用建筑、電子設(shè)備調(diào)溫、儲熱、紡織、汽車業(yè)等領(lǐng)域，影響著人們的衣食住行。下面從電子設(shè)備散熱管理、相變儲能建筑材料、紡織業(yè)吸波調(diào)溫等方面探討鐵氧體/石墨烯-硬脂酸復(fù)合吸波相變儲熱材料的應(yīng)用5.2電子設(shè)備散熱管理及電磁屏蔽的應(yīng)用5.2.1高精電子設(shè)備散熱管理隨著科技發(fā)展與廣泛應(yīng)用，智能手機、手表、智能家居、智能車控等各種智能電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用與發(fā)展，這些設(shè)備日益向小型化、微型化和性能不斷提升的方向發(fā)展，越精密的設(shè)備越受到人們的追捧，為了迎合市場，設(shè)備的研究與開發(fā)不斷向著減小尺寸和增加功能的高功率密度器件推廣。由于設(shè)備在運行過程中會產(chǎn)生熱量，高度集成且沒有足夠空隙的設(shè)備往往產(chǎn)生更大的熱量，電子芯片的發(fā)展受到高熱量的制約[9]。如不能快速有效地吸收或散發(fā)這些設(shè)備產(chǎn)生的熱量，將會對芯片和其他精密器件造成損壞影響其壽命，更嚴重的是影響了設(shè)備的正常使用。因此，對電子設(shè)備的熱量吸收，同時減少瞬時脈沖的功率尖峰期的過高溫度，成為了高精尖儀器與電子設(shè)備的重大挑戰(zhàn)。因此，利用高儲熱密度材料對電子設(shè)備進行高效散熱管理，成為了其長期穩(wěn)定地發(fā)展中所必要的保障。而相變材料所具有的極大潛熱儲熱密度與較好的熱穩(wěn)定性，成為了電子設(shè)備解決散熱的不二之選。5.2.2電磁輻射與電磁屏蔽伴隨著經(jīng)濟結(jié)構(gòu)向著信息化科技化的快速發(fā)展，電磁輻射污染應(yīng)運而生，無處不在，不僅在自然生活中有太陽黑子宇宙射線等，人為的還有各種電子器件和工業(yè)泄露。這些電子設(shè)備在使用過程中會發(fā)射出各種不同頻率范圍的輻射，長期接觸會導(dǎo)致人體內(nèi)部細胞受損，對人體的心血管系統(tǒng)、生理功能、遺傳特征和免疫系統(tǒng)等都會產(chǎn)生較為嚴重的傷害，因此，解決電磁輻射污染勢在必行。電磁輻射還會造成電磁干擾，電子器件之間的電磁輻射會影響正常運行狀態(tài)，例如手機信號的強弱會受周圍電磁和輻射的干擾，造成手機信號減弱且部分失真的狀態(tài)。且輻射會加速觸發(fā)電子設(shè)備產(chǎn)生故障和減少其使用壽命。同時，由于社會發(fā)展和生活中電子設(shè)備的必要性，人類暴露于電磁污染是不可避免的結(jié)果。因此，研究制造可顯著避免上述缺點的電磁屏蔽材料，以減少人類對電磁輻射的潛在暴露并保護敏感的電子設(shè)備迫在眉睫。5.2.3解決電磁屏蔽的吸波材料為了了解電磁屏蔽材料，需要了解電磁干擾屏蔽的發(fā)生機制，電磁屏蔽的主要途徑包括：電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽。物理屏蔽材料原理有：材料表面對于電磁波的折射和反射，材料對于電磁波的吸收。石墨烯等碳材料被報道為性能最好、儲量最豐富的EMI屏蔽材料[27]。此外，其在隱身、信息安全等電子戰(zhàn)和微波設(shè)備的高科技領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。然而，碳材料性能始終受到限制。由于功率或介電損耗單一的衰減機制，難以大范圍吸波。鐵氧體作為應(yīng)用最廣泛，成本較低的吸波劑，有著不錯的吸波能力與吸波頻帶，但因其密度較大，所以將石墨烯與鐵氧體復(fù)合不僅解決石墨烯成本較高的缺點，又可降低鐵氧體密度，增強電磁屏蔽性能。5.2.4應(yīng)用由上述可得出，本研究的復(fù)合吸波相變材料不僅可以快速有效的吸收電子設(shè)備運行時的熱量，助其快速散熱，延長設(shè)備壽命與運行質(zhì)量，同時具有吸收器件所產(chǎn)生的電磁輻射，減少設(shè)備間的電磁干擾，提高電子設(shè)備的運行效率，保障其穩(wěn)定運行，并從根源上解決了電磁輻射對人體及環(huán)境的傷害，降低了電磁污染。5.3在建筑儲能領(lǐng)域的應(yīng)用作為建筑能源消耗大國，如何降低建筑能耗和開發(fā)新能源對我國來說極為重要，傳統(tǒng)建筑供熱能耗大，污染嚴重，能量利用效率低。相變材料作為一種潛熱儲能材料，其具有較大的儲熱密度，且安全環(huán)保，綠色可控，通過選擇合適相變溫度的材料可以智能調(diào)節(jié)溫度，因此，將相變材料應(yīng)用于建筑中是一種降低能耗的重要手段。將本文研究的復(fù)合吸波相變材料應(yīng)用于實際建筑中，不僅可以智能調(diào)控房間溫度，無毒無害安全環(huán)保，節(jié)能經(jīng)濟成