贮热相变材料的工作性能及研究方法

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1、第二章贮热相变材料的热物性和工作性能焦冬生热科学和能源工程系内容工作性能及研究方法导热系数的改善相变潜热的预测2研究范围34贮热相变材料的工作性能及研究方法贮热相变材料的主要工作性能有过冷度、结晶速度、晶体密度、稳定性（耐久性）研究相变材料工作性能的手段示差扫描量热计（DSC）热分析法（TA-THERMALANALYSISMETHOD）5DSC与TA比较在DSC测量中，由于试样的尺寸太小，样品的过冷现象达到最严重的程度，而析出则被抑制，因此，为了解相变材料在工程应用中的特性，TA法具有重要的地位。测量技术仪器材料用量测量方式及测量结果可供分析的数据DSC

2、DSC1-10mg测定在设定的控温下式样热能的变化，测量结果为能量-时间曲线热重图上吸收峰的形式熔点及范围冰点及范围过冷度熔解热/固化热真比热TA试管玻璃器皿待试模型10g100g1-10kg测定试样在加热或冷却情况下给定位置的温度变化，测量结果以温度-时间曲线表示温度-时间曲线，溶解/固化中的现象熔点/范围冰点/范围过冷度相容/不相容分解现象，新相形成，分离现象6这些变化是物质在加热或冷却过程中发生的，它在DSC曲线上表现为吸热或放热的峰或基线的不连续偏移。对于物质的这些DSC表征，尽管多年来通过热分析专家的解析积累了不少资料，也出版了一些热谱(如SA

3、DTLER热谱等)．但热谱学的发展尚不够成熟，不可能象红外光谱那样将图谱的解析工作大部分变为图谱的查对工作，尤其是高聚物对热历史十分敏感，同一原始材料，由于加工成型条件不同往往有不同的DSC曲线，这就给DSC曲线的解析带来了较大的困难。DSC解析难度高7DSC解析难度高解析DSC曲线决不只是一个技术问题，有时还是一个困难的研究课题。因为解析DSC曲线所涉及的技术面和知识面较广。为了确定材料转变峰的性质，不但要利用DSC以外的其他热分析手段，如DSC-TGA联用，还要借助其他类型的手段，如DSC-GC联用，DSC与显微镜联用，红外光谱及升降温原位红外光谱技

4、术等。这就要求解工作者不但要通晓热分析技术，还要对其他技术有相应的了解，在此基础上结合研究工作不断实践积累经验，提高解析技巧和水平。8热分析法应用结晶速率如果结晶速度很快，假定在合理的热扩散的情况下，那么过冷温度很快会恢复到凝结温度，所以结晶速度比成核速度更重要。如果结晶速度过慢，那么结晶后的晶粒又会分散在整个液体中。SchroderandGawronhaveprovidedaplotshowingtherateofcrystalgrowthasafunctionofsupercooling.9KF.4H2O熔点18.5Na2SO4.10H2O熔点32.

5、4过冷——结晶结晶速度低SchroederJ,GawronK.Latentheatstorage,EnergyResearch,1981;5:103-109.过冷与结晶速率10结晶类型Grodzka对冷凝和熔解过程涉及的物理过程进行了全面地分析。熔解和冷凝反应依赖于相互传热，成核及结晶速率。GrodzkaPG.PhaseChangeStorageSystem.In:W.C.Dickinson,N.Cheremisimoff,Solarenergytechnologyhandbook,PartA:EngineeringFundamentals,Marcel

6、Dekker,Inc.,1980.11如图a，处于熔点温度Tm的溶液在隔热的容器中被冷却，结晶簇都会以以下方式进行。如果液体被快速冷却，而且成核较差，那么液体可能仅被过度冷却而没有结晶。更高的过冷可能导致液体转变为玻璃体。12B表示液相和固相都处于过冷，而结晶从冷却的壁面有秩序地发展。暗示结晶速度较慢。另外，材料内部的温度或多或少是均匀的。13c如果热量已足够慢的速度向外散失，结晶将可能在熔点发生14d成核过快，结晶过慢导致晶核散布在整个溶液中。15另外，结晶过快，成核过慢导致在溶液中生成少数较大晶体。16冷凝曲线的解释Grodzka揭示了如何从简单的冷

7、凝曲线中获得关于可能被选择的PCM的大量信息。冷凝曲线制作：通过在没有扰动的PCM样品中心放置温度探头，记录下探头读数并作随时间的变化曲线。通过适当的方法控制降温速率如冰浴。17曲线(a),(b)和(c)表示溶液结晶前处于过冷。(a)和(b)又表示液体处于过冷是由于成核较差造成的。结晶开始以后，温度升高并稳定在熔点Tm。曲线(c)表示由于晶体生长速率较低，固体和液体都处于过冷。（成核过后，温度升高并稳定表明释放的热量等于凝固潜热。然而，稳定温度低于Tm，是由于结晶动力较差）。这样的过程叫，“动力学控制”，因为关键是结晶动力学而非传热速率。18对比（a）（

8、b）曲线，两者都有一定的过冷，但（b）的PCM很快就达到Tm，表明有较高的热扩散