正十八烷／泡沫相变复合材料蓄热实验研究

张靖驰盛 强童铁峰任维佳

（1中国科学院太空应用重点实验室中国科学院空间应用工程与技术中心 北京 100094；2中国科学院大学 北京 100049）

正十八烷／泡沫相变复合材料蓄热实验研究

张靖驰1，2盛 强1童铁峰1任维佳1

（1中国科学院太空应用重点实验室中国科学院空间应用工程与技术中心 北京 100094；2中国科学院大学 北京 100049）

通过实验对相变复合材料的相变过程进行研究，将相变材料正十八烷（C18）分别填充到泡沫铜和泡沫碳中来提高相变材料的导热性能，采用差示扫描量热法（DSC）分析了正十八烷相变材料的热物性。利用相变蓄热装置对三种不同材料（C18、C18／泡沫碳、C18／泡沫铜）进行蓄放热对比实验，记录温度测试数据，分析这三种不同材料的温控性能与蓄热能力，并与正十八烷的结果对比。结果表明：泡沫材料的填充大幅提高相变材料的温控性能，使蓄热装置温度分布更均匀。

蓄热；相变；潜热；正十八烷；泡沫碳

随着电子元器件集成度越来越高，芯片工作时会产生很高的热流密度，对电子元器件性能产生有害影响。为克服电子元件短时高功耗的问题，可应用相变材料蓄热控温，保证电子元件在最佳的工作温度附近工作［1］。相变材料在相变过程中伴随着大量的相变潜热，能够吸收或释放大量的能量且相变过程近似等温［2］，这一特性使其适合于周期性工作的电子元件的热控［3］。石蜡类相变材料具有相变潜热高、化学性质稳定、几乎无过冷和相变分离现象、无腐蚀性、价格低等优点，且品种繁多，熔点跨度大，可以涵盖不同的电子元件工作温度范围［4-5］。

然而，石蜡类相变材料存在导热率低的缺点，这是限制其潜热蓄热广泛应用的重要原因［6-7］。常用的强化相变材料导热能力的措施有：在相变材料中添加金属填料、石墨、肋片、进行胶囊封装、将不同的相变材料进行组合等［8］。在几种相变材料强化传热的方法中，高孔隙度的多孔介质泡沫材料由于高导热性能和面密度被普遍认为有很好的应用前景［9］。当多孔介质泡沫材料和相变材料复合成定形相变材料后，泡沫材料本身的毛细力和表面张力会防止熔化后的液态相变材料出现泄漏［10］。采用高导热的泡沫材料来改善相变材料传热性能，促进相变蓄热能能够真正得到广泛利用［11-12］。相变复合材料在蓄热过程中不仅利用了相变材料的相变潜热，还利用了相变材料和泡沫材料的显热，泡沫材料的填充同时改善了空穴位置分布的控制［13-14］。

泡沫碳是一种在石墨基体中均匀分布大量连通孔洞的新型高导热材料。相比于常见的膨胀石墨，泡

1 实验方法

1.1 实验材料

正十八烷为国药化学公司生产，纯度≥99.0%；泡沫铜为吉林卓尔科技股份有限公司生产，孔隙率分别为87%和94%；泡沫碳为航天材料及工艺研究所提供，孔隙率为81%。

1.2 实验准备

图1是相变蓄热装置结构示意图。相变蓄热装置（C18、C18／泡沫碳、C18／泡沫铜）的结构尺寸一致，为φ76 mm×45 mm。薄膜电加热片紧密贴附在相变蓄热装置的热源面，选用8支Pt100热电阻来测量相变蓄热装置不同位置的温度分布情况，Pt100热电阻的测温误差为±0.1℃，分别测量热源面、热源面对面的温度。使用保温海绵对蓄热体进行隔热包覆，减少外界环境对装置的热量交换，做到近似绝热条件。

图1 蓄热装置结构Fig.1 Structure of thermal energy storage device

图2为蓄热装置蓄热实验台示意图。蓄热装置热源面上的薄膜电加热片功率为25 W（热流密度q =5.5 kW／m2），加热30 min；断开电源，将相变蓄热装置完全暴露在空气中，冷却至室温。数据采集板卡采集相变蓄热装置表面瞬时温度，并录入计算机中，数据采集频率为1次／s。

图2 相变蓄热装置实验台Fig.2 Schematic diagram of phase change thermal storage experimental set-up

2 实验结果

2.1 正十八烷热物性

DSC实验使用的是德国耐驰仪器公司生产的差示扫描量热仪（Netzsch STA409PC），温升速率为3℃／min，温升范围为20～70℃，实验过程用高纯度氮气保护，待基线稳定后，获得相变材料热物性测试结果如图3所示，通过热重曲线可以看出，C18在相变过程中基本没有质量变化，通过DSC曲线可以看到，C18在熔化起始点出现在 22.6℃，终止点在31.7℃，相变吸热峰值为28.1℃，存在明显的固-液相变过程，相变潜热值为225.3 kJ／kg。

图3 正十八烷（C18）TG-DSC测试曲线Fig.3 TG-DSC test curves of n-octadecane（C18）

2.2相变复合材料热物性

泡沫复合相变材料室温下热物性参数如表1所示，C18／泡沫碳复合材料的导热系数为123 W／（m·K），孔隙率为0.94和0.87的C18／泡沫铜导热系数分别为8 W／（m·K）和21 W／（m·K），而纯C18的导热系数仅有0.35 W／（m·K），泡沫材料对相变材料导热系数的提升作用非常显著。另一方面，C18／泡沫碳复合材料在导热系数、单位质量蓄热量的参数上均优于C18／泡沫铜复合材料。

表1 泡沫复合相变材料室温下热物性参数Tab.1 Thermophysical properties of foam com posite phase change materials in normal tem perature

2.3 蓄热实验

四组相变蓄热装置（C18、C18／泡沫碳、C18／泡沫铜Ⅰ、Ⅱ）加热过程中热源面温度随时间的变化曲线如图4所示。四组相变蓄热装置温度变化可以划分为三个阶段：固相阶段，固-液两相阶段和液相阶段。固相阶段，蓄热装置主要依靠材料的显热吸收热量；在固-液两相阶段，蓄热装置主要依靠相变材料的潜热吸收热量，C18／泡沫碳和C18／泡沫铜相变蓄热装置在此阶段出现了明显的温度平台期，温度控制在33～38℃之间，而纯C18温度控制范围为40～45℃之间，泡沫相变复合材料对温度的控制更为优秀；在液相阶段，石蜡完全熔化，蓄热装置主要依靠材料的显热吸热，温度曲线斜率突然变大。

顶面温度随时间的变化曲线如图5所示。由于远离热源，顶面的温度较低，但四组曲线的变化趋势与热源面温度曲线基本相似。在相变蓄热过程中固-液两相阶段，两组泡沫相变复合材料的温升曲线变化平稳，基本维持在C18相变点28℃附近，而纯C18温升速率没有明显降低。这是由于纯C18的导热率低，热量无法快速传递到C18内部区域，导致装置的铝合金外壳温度快速上升。

2.4 不同孔隙率C18／泡沫铜对比

对图4两种不同孔隙率的C18／泡沫铜（孔隙率分别为87%与94%）蓄热装置进行蓄热实验分析。可以看出在固-液两相阶段，孔隙率为87%的C18／泡沫铜对热源面温度控制的更为优秀。这是由于孔隙率越低，复合材料的导热系数越高，热源面的热量能够迅速转移到蓄热装置的其他位置，使温度分布更均匀。然而，孔隙率为87%的C18／泡沫铜蓄热时间却更短，率先进入液相阶段，这是由于低孔隙率使相变材料的填充量减少，蓄热能力降低。

图4 加热过程中热源面温度随时间变化曲线（q=5.5 kW／m2）Fig.4 Heat source surface temperature variations of TSUs during the melting process（q=5.5 kW／m2）

图5 加热过程中顶面温度随时间变化曲线（q=5.5 kW／m2）Fig.5 Top surface temperature variations during the melting process（q=5.5 kW／m2）

2.5 温差对比

图6～图8为不同热流密度下C18／泡沫碳和C18／泡沫铜蓄热装置温差随顶面温度变化曲线。可以看出，温差随热流密度的增加而增加，q=11.0 kW／m2的温差近似为q=5.5 kW／m2的两倍。相变过程可以分为三个阶段：固相阶段、固-液两相阶段和液相阶段。固-液两相阶段温差突然上升，这是由于热源面处的C18率先进入液相阶段，显热吸热导致其温度上升较快，而其余区域仍处于相变阶段，温度基本维持不变，故导致温差上升较快；而进入液相阶段后，温差逐渐降低到和固相阶段相同的水平。从图6、图7、图8的对比可知，q=11.0 kW／m2的工况，C18／泡沫碳装置的温差基本控制在12 K以下，而C18／泡沫铜的温差控制在18 K以下；q=5.5 kW／m2的工况，C18／泡沫碳装置的温差基本控制在6 K以下，而C18／泡沫铜的温差控制在10 K以下。C18／泡沫碳装置温度分布更为均匀。

图6 C18／泡沫碳相变蓄热装置温差随顶面温度变化曲线Fig.6 Effect of different heat flux on tem perature variations of C18／carbon foam TSU during the melting process

图7 C18／泡沫铜Ⅰ相变蓄热装置温差随顶面温度变化曲线Fig.7 Effect of different heat flux on tem perature variations of C18／copper foam TSUⅠduring the melting process

图8 C18／泡沫铜Ⅱ相变蓄热装置温差随顶面温度变化曲线Fig.8 Effect of different heat flux on tem perature variations of C18／copper foam TSUⅡduring the melting process

2.6 放热实验

图9所示为在空气中冷却的蓄热装置热源面温度随时间变化曲线。在相同冷却条件下，纯C18相变蓄热装置热源面温度冷却至20℃所需时间约为16.5 h。泡沫相变复合材料蓄热装置热源面温度冷却到20℃所需时间约为13.3 h，冷却时间比纯C18减少约20%。

图9 空气冷却过程中热源面温度随时间变化曲线（q=5.5 kW／m2）Fig.9 Heat source surface temperature variations of TSUs during the solidification process（q=5.5 kW／m2）

3 结论

本文采用实验方法，制备了C18、C18／泡沫碳、C18／泡沫铜相变复合材料及其蓄热装置，在相同功率下进行蓄热实验，对三种材料的蓄放热性能与温控能力进行对比，得出如下结论：

1）泡沫相变复合材料温控能力更为优秀。由于泡沫材料的骨架结构和填充率的因素使其换热面积远大于纯相变材料，泡沫相变复合材料的传热性能更强。在蓄热过程中，泡沫复合相变材料的升温速率明显降低；在放热过程中，泡沫相变复合材料装置温度恢复至室温的时间比纯相变材料装置更短。

2）C18／泡沫碳比C18／泡沫铜有更优秀的温控能力、更高的蓄热密度。C18／泡沫碳在蓄热过程能够更有效地控制热源面温度，减小热源面与顶面的温差，且由于其密度更小，适用于有轻质要求的领域。

3）泡沫材料的孔隙率越小，对温度控制能力越优秀，但同时蓄热时间会越短。

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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、能够维持自身形状结构等特点，其导热率是泡沫铜的5倍左右［15-16］。采用差示扫描量热法（DSC）分析了正十八烷（C18）的相变温度与潜热，通过热脉冲法测量了C18／泡沫碳相变复合材料的导热系数。分别制备出C18、C18／泡沫碳、C18／泡沫铜相变蓄热装置，进行蓄、放热实验，分析实验结果，对比研究不同相变材料的蓄热装置的储热、传热性能。

简介

盛强，男，博士／助理研究员，中国科学院空间应用工程与技术中心，（010）82178223，E-mail：shengqiang_buaa＠126.com。研究方向：固液相变蓄热材料及其传热强化技术。

国家自然科学基金（50876004）资助项目。（The project was supported by the National Natural Science Foundation of China（No. 50876004）.）