相变材料中导热系数检测方案(导热仪)

SAMSUNG中国工程物理研究院CHINA ACADEMY OF ENGINEERING PHYSICS 储热系统按照储热方式不同可以分为显热储热、潜热储热和化学反应储热三类，相变材料(PCM)是利用相变过程中吸收或释放的热量来进行潜热储能的物质。与显热储能材料相比，PCM具有储能密度大，效率高以及近似恒定温度下吸热与放热等优点，因此可以应用于很多领域，如太阳能利用、废热回收、智能空调建筑物、调温调湿、工程保温材料、医疗保健和纺织行业等等。但化学反应热蓄热虽然具有储能密度大的特点，但应用技术和工艺太复杂，目前只能在太阳能领域受重视，离实际的应用还很远， 因此PCM成为了热能储存的主要利用方式。 相变材料具有在一定温度范围内改变其物理状态的能力。相变材料主要包括无机PCM、有机PCM和复合PCM三类。其中，无机类PCM主要有结晶水合盐类、熔融盐类、金属或合金类等；有机类PCM主要包括石蜡、醋酸和其他有机物。由于它的应用十分广泛，目前已成为一种日益受到重视的新材料。导热系数的大小直接关系到相变储能装置的蓄能和释放功率。因此，采取必要措施强化相变材料导热性能，并采用合适技术手段对材料导热系数测试，已经成为相变储能技术的必要研究环节。 。产品介绍 导热系数分析仪 ●工作原理 C-Therm TCi导热系数分析仪采用新一代改良的瞬态平面热源法，能快速，准确地对材料进行无损的导热系数与蓄热系数测试。它采用单面探头，测试时间1-3s，无需样品制备，可测试固体，液体，粉末，胶体材料的导热系数。TCi导热系数分析仪操作简便，体积小巧，广泛应用于各类实验室，质量检测中心，及企事业单位科研中心。 K=导热系数(W/mK) p=密度(kg/m) Cp=比热容 (J/kg·K) 。技术指标 导热系数测试范围：0~500W/mK 广泛温度范围：-50~200℃ 无需样品制备，无损测试 测试时间快速：0.8~2.5秒 适用范围：可测试固体，液体，粉体，胶体 最小测试样品尺寸：0.67" (17mm)直径 最大测试样品尺寸：不限 最小测试样品厚度：通常0.02"(0.5mm)， 基于测试物体的热传导性 ASTM标准： ASTM D7984 导热系数仪在相变材料上的应用 导热性能是评价相变材料好坏的关键影响因素。目前改善相变材料导热性能的方法是，在相变材料斗加入金属、陶瓷材料和热解石墨等导热系数高的填料，填料通常有以下结构形式：粉末、纤维、肋片及蜂窝。利用两种或者三种相变温度不同的材料按照相变温度高低顺序进行放置，可得到合适的相变温度点，同时加快导热速度。 一、石墨片对相变材料导热性能影响 韩国崇实大学的Sumin Kim教授研究了膨胀纳米石墨片对相变材料/硅藻土复合材料导热性能的影响复合材料：相变材料(十六烷、十八烷、石蜡)+硅藻土 添加材料：胀纳米石墨片(xGnP) 14kU x508 eoee 15 55 SEI 图1.复合材料的扫描图 (SEM) (a)十六烷+硅藻土+石墨片；；(b)十八烷+硅藻土+石墨片；(c)石蜡+硅藻土+石墨片 图2.几种复合材料的导热系数 图中纯相变材料的导热系数为0.32、0.18和0.23W/mk， PCM/硅藻土复合材料的导热系数为0.39、0.25、0.33W/mk，可知，将相变材料混入硅藻土结构中，，可提高相变材料导热系数。PCM/硅藻土复合材料+xGnP的导热系数为0.42、0.35和0.41W/mk， 添加石墨片复合材料的导热系数比未加入石墨片复合材料的导热系数增加值小于10%，因此石墨片可作为添加材料提高相变材料的导热系数。 二、新型无机钙基相变材料导热性能 天津科技大学邓天龙教授研究了室温条件下新型无机钙基相变材料导热性能。 材料：水(47.1wt%)、氯化钙(47.7wt%)、硝酸钾(2wt%)、溴化钾(2wt%)和氯化锶(1.2wt%)固液相变温度：21.4℃ 图3.不同温度下PCM-Ca材料的导热系数 邓教授测试了10℃-40℃温度下PCM-Ca材料的导热系数。固相下PCM-Ca材料的导热系数为0.3512 W/mk， 液相下PCM-Ca材料的导热系数为0.5221W/mk，在相变过程中，材料的导热系数可达到1.3637W/mk。PCM-Ca材料具有较高的导热系数，适用于作为建筑节能材料。 三、石蜡相变过程导热系数性能 C-Therm公司用TCi独有的MTPS技术，测试了石蜡相变材料从室温到100℃过程中的不同压力下(100 and 220 gF)的导热系数。 EcE 3 图4.MTPS探头 图5.石蜡在不同压力下的导热系数 C-Therm公司用TCi虫有的MTPS技术，，可测试石蜡相变材料在相变过程中的导热系数，且准确度优于5%。 四、水泥基复合储热材料导热性能 斯威本科技大学的Sayanthan Ramakrishnan教授将相变材料(石蜡和膨胀珍珠岩)添加到水泥砂浆中，制备成水泥基复合储热材料，研究其在建筑材料中的保温性能。 表1.材料的成份 Binder Water Aggregates Series OPC cement w/b Aggregates/binderratio sand (vo1%) Composite PCM (vol%) SP (%) Flowability(mm) NC 1 0.485 2.75 100 0 110±5 TESC-20 80 20 - TESC-40 60 40 0.5 TESC-60 40 60 1.5 TESC-80 20 80 2.5 注： NC 普通水泥砂浆； TESC 水泥基复合储热材料； TESC-20， 含20%相变材料的水泥基复合储热材料 图6.相变复合材料的扫描图(SEM) 图7.不同相变材料含量的复合材料导热系数 随着相变材料含量的增加，复合材料的导热系数逐渐降低。与普通水泥砂浆相比， TESC-20，TESC-40， TESC-60和TESC-80 的导热系数降低15.8%，31.6%，52.6%和65.8%。水泥基复合储热材料导热系数越低，越有利于建筑材料的隔热性能，提高材料的储热能力。 五、生物基相变材料的导热性能 ( 韩国崇实大学的Sumin Kim教授研究了将高导热性的氮化硼加入到生物基相变材料中，从而提高其导热性能。 ) 图8.左：生物基相变复合材料形貌；右：生物基相变复合材料的扫描图 图9.生物基相变材料的导热系数 从图中得知，纯生物基相变材料和生物基相变复合材料导热系数分别为0.153和0.729 W/m K。与纯生物基相变材料相比，复合材料导热系数提高了477%。氮化硼对生物基相变材料的导热系数增加起着关键作用，此生物基相变复合材料适用于建筑材料领域。 结语： 相变材料的导热系数是表征材料热传导能力的一个重要参数，在航空航天领域，建筑，织物等领域都有很重要的应用。C-Therm的TCi采用改良瞬态平面热源法，可以非常方便，快速的测试材料的导热系数，为科研研究过程提供重要的帮助。 ( 参考文献 ) ( [1] Su-Gwang Jeong， Jisoo Jeon， O kyoung Chun， Sughwan Kim， Sumin Kim. Evaluation of PCM/diatomite composites using exfoliated graphite nanoplatelets (xGnP) to improve thermal properties . J . Therm Anal Calorim， 2013； ) [2] GAO Daolin， GUO Yafei， YU Xiaoping， WANG Shiqiang and DENG Tianlong. Thermal Characteristics of RoomTemperature Inorganic Phase Change System Containing Calcium Chloride. Chem. Res. Chin. Univ.， 2014； [3] Adam Harris. Thermal conductivity measurements on phase change materials for thermal storage applications. ( [4] S ayanthan R a makrishnan， Xiaoming Wang， Jay S anjayan， John Wilson. Thermal energy stora g e enhancement of light- weight cement mortars. P rocedia Engineering，2017； ) [5]Su-Gwang Jeong， Jeong-Hun Lee， Jungki Seo， Sumin Kim.Thermal performance evaluation of Bio-based shape stabi-lized PCM with boron nitride for energy saving. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2014：245-250； 我们的客户： CASC请華大学 中国航天 3M HoneywellCanada 联系我们 C-THERM 邮箱：jzhang@ctherm.com 电话：13162718817021-36368319 中文网站：www.ctherm.com.cn/ www.ctherm.com 上海办事处：虹口区花园路128号7街区D座201室 北京办事处：北京市朝阳区区泉营香江北路8号华人写字楼D06室       储热系统按照储热方式不同可以分为显热储热、潜热储热和化学反应储热三类，相变材料（PCM）是利用相变过程中吸收或释放的热量来进行潜热储能的物质。与显热储能材料相比，PCM具有储能密度大，效率高以及近似恒定温度下吸热与放热等优点，因此可以应用于很多领域，如太阳能利用、废热回收、智能空调建筑物、调温调湿、工程保温材料、医疗保健和纺织行业等等。但化学反应热蓄热虽然具有储能密度大的特点，但应用技术和工艺太复杂，目前只能在太阳能领域受重视，离实际的应用还很远，因此PCM成为了热能储存的主要利用方式。      相变材料具有在一定温度范围内改变其物理状态的能力。相变材料主要包括无机PCM、有机PCM和复合PCM三类。其中，无机类PCM主要有结晶水合盐类、熔融盐类、金属或合金类等；有机类PCM主要包括石蜡、醋酸和其他有机物。由于它的应用十分广泛，目前已成为一种日益受到重视的新材料。导热系数的大小直接关系到相变储能装置的蓄能和释放功率。因此，采取必要措施强化相变材料导热性能，并采用合适技术手段对材料导热系数测试，已经成为相变储能技术的必要研究环节。