基于凝胶铸造的SiC高温稳定复合相变材料的可控制备及热性能研究

论文信息：

Y C. Hou, J. Qiu, W. Wang, X B. He, Z. Wang, Y. Shuai, Controllable preparation and thermal properties of SiC spherical high temperature shape-stable composite phase change materials based on gel-casting, Journal of Alloys and Compounds 960 (2023) 170966.

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.170966.

研究背景

可量产的高性能高温复合相变材料(CPCMs)为可再生能源的高效利用提供了新的思路。文章提出了一种基于水凝胶铸造技术且适用于商用硅胶模具批量成型的SiC球形高温CPCM。通过改变浆料中淀粉颗粒的含量，可以调节多孔碳化硅骨架的孔隙率。实验结果表明，CPCM具有高导热系数的同时，还表现出了优异的循环稳定性。此外，CPCM可以很容易地集成到热能储存(TES)系统中。为TES系统中球形CPCM的设计提供了新的思路。

研究内容

凝胶铸造法制备球形多孔碳化硅陶瓷CPCM的工艺流程如图1所示。

图1 球形cpcm的制备工艺流程图。

淀粉颗粒含量对SiC浆料粘度的影响如 图2所示。研究结果发现，粘度与淀粉浓度成正比。当淀粉含量增加到40%以上时，粘度急剧增加。此外，粘度的增加也使浆料的不均匀性变得明显，因此浆料中淀粉颗粒的添加量不应超过40 wt%。

图2 不同淀粉粒含量的浆料粘度。

不同淀粉含量的CPCM在室温下的导热系数如图3所示。通过改变SiC浆料中淀粉颗粒的含量，可以很容易地改变SiC陶瓷的孔隙率，从而制备出不同导热性能的CPCM。

图3 不同淀粉含量的cpcm的孔隙率(Y1)、总孔隙率(Y2)和导热系数。

图4进一步展示了CPCM循环性能的评价结果。经过40次和100次循环后，CPCM的质量损失分别为1.17%和2.38%，这是由于凝胶浇铸过程中溶剂和有机添加剂的去除所形成的微小孔隙可以吸附PCM，并通过表面张力和毛细力的作用有效地防止PCM泄漏。循环40次和100次后，CPCM的导热系数分别下降了1.47%和4.02%。这些现象表明CPCM具有良好的循环稳定性。

图4 S20的热导率下降和质量损失的变化。

同时，高温热稳定性是CPCM的另一个重要参数。CPCM的热重曲线如图5所示。从热重曲线可以看出，制备的多孔碳化硅骨架在1000℃时没有明显的重量变化，在高温下表现出较强的热稳定性。

图5 SiC、NaCl-KCl和S20的热重曲线。

含CPCM和钢球胶囊的PBLHS体系分别命名为case1和case2，填充床中部可容纳310个直径为51 mm的球形物料，填充床孔隙率为0.4929。图6 (a)显示了两种不同情况下PCM和HTF在轴向中心的温度演变过程。在两种不同情况下，PCM和HTF的温差出现了两个峰值，分别出现在固体感热中期和相变潜热末期，与之前的实验结果相似。较好的热性能使得CPCM与HTF之间的温差较小。产生了更低的熵，获得了更高的热性能。图7进一步展示了两种不同情况下HTF充放电过程中沿中轴线的温度演变趋势，以更好地展示PCM与HTF之间的传热关系。

图6 (a)充电和(b)放电过程中两种不同情况下PCM和HTF在轴向中心的温度演变，vin= 260 kg/h。

图7在vin= 260 kg/h两种情况下(a, b)充电和(c, d)放电过程中HTF沿中心轴向的温度演变趋势。

图8 为两种情况下HTF出口温度和换热效率在充放电过程中的时间演变曲线。可以得出，case1的换热效率在初期始终高于case2，受相变的影响较小。这是由于CPCM的高导热性增强了HTF的传热。充电过程中，case1和case2的平均换热效率分别为0.35和0.33，放电过程中，case1和case2的平均换热效率分别为0.36和0.34，分别提高了6.06%和5.89%。

图8 HTF出口温度和换热效率随进料(a)和出料(b)时间的变化，vin= 260 kg/h。

结论与展望

结果表明：（1）文章将淀粉颗粒作为孔隙剂来调节碳化硅骨架的孔隙度。随着淀粉颗粒浓度的增加，试样的孔隙率和线收缩率分别呈增大和减小的趋势。但淀粉含量不能超过40 wt%，否则粘度会急剧增加，无法浇注浆料；

（2）将共晶盐NaCl-KCl(5:5摩尔比)作为PCM储存潜热。经熔融盐浸渍后，淀粉含量为20%的样品具有较高的开孔率和热导率，被认为接近CPCMs的最佳配方；

（3）制备的球形CPCM在800℃温度下仍表现出较强的热稳定性，质量变化不明显，经过多次热循环后，CPCM各组分仍具有良好的化学相容性；

（4）采用C-D模型对含有球形CPCM和传统钢球胶囊的PBLHS系统的动态热性能进行了建模和分析。与钢球胶囊相比，CPCM良好的热性能使系统内温度分布更加均匀，充放电过程分别缩短了26.7%和36.3%。

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