癸酸—月桂酸相变材料的导热性能研究

罗宇飞

摘 要：文章主要研究相变材料的特性及相关应用，并将癸酸-月桂酸作为研究对象制成相变材料。研究表明，随着相变材料摩尔组成的变化，其相变潜热和相变温度也相应发生变化；而且其导热系数和相变温度呈反比例的关系。另外，在相变材料中添加硅藻土可以有效改善材料的传热性能，根据这一特性，可以考虑将其制成储能相变建筑材料。

关键词：癸酸-月桂酸；相变材料；导热性能

1 相变材料

相变材料的主要特性就是在相变过程中，通过吸收或者释放环境的热量达到控制环境温度的目的。物质的相变一般有如下四种形式，即固-固相变，固-液相变，液-汽相变和固-汽相变。其中固-固相变的潜热小，但其相变的体积变化小，对容器无要求，是适用于实际的相变类型。利用相变材料的这种性能，可以用于开发环保节能复合材料，近年来已经成为材料和能源领域中非常活跃的研究领域。

本文将癸酸和月桂酸作为研究材料，利用熔融混合的方法，制备出不同摩尔比的二元低共熔体系相变材料。该相变材料熔点较低，熔化温度范围较宽，性能相对稳定。通过测试不同摩尔比相变材料的导热系数，并且将相同摩尔比相变材料在不同温度下的导热系数等热物理性能进行测试，同时还研究了硅藻土对材料导热系数的影响。

2 相变过程

相变材料的相变过程是研究的基础，一般认为相变材料在结晶过程中主要分为三步，即诱发，晶体生长和晶体再生。诱发阶段晶核逐渐形成并生长至临界尺寸以上。生长阶段，晶核周边的材料通过扩散并吸附在晶核表面，从而生长为具有几何结构的晶体。随后结晶速度逐渐放慢。再生阶段，虽然相变材料已经凝固，但是材料内部固有的相对运动导致其大小和形状不断发生改变，从而导致热迁移速度降低，晶体生长速率高。所以，不难看出相变材料在熔化和结晶过程中的变化主要在于成核速率、传热速率以及晶体生长速度，而影响相变过程的主要因素就是成核和传热。

3 不同摩尔比相变材料的导热系数

相变材料的制备如下：称取所需摩尔比的癸酸-月桂酸相变材料物理混合，然后加热至熔融状态并充分搅拌，将熔融态液体置于模具中冷却固化，最后制得长宽为300mm×300mm，厚度在10～40mm的试样。将试样放入导热系数测定仪的炉体内开始测试，观察记录不同温度下材料的导热系数。本文采用DRP-4型导热系数测定仪进行测量。

在测试时室温为23℃时，结果如表1。

从测试结果可以看出，二元癸酸-月桂酸相变材料的导热系数和其相变温度呈反比例关系，而且随着相变温度的降低，其导热系数逐渐提高。相变温度越高，单位质量的材料相变时吸收的热量越多，热量传导就慢，导热系数就越小。由于该结果代表的是在长时间相变过程中某个阶段材料的导热系数，但是材料的导热系数是随着相变过程的变化而发生变化的动态过程，所以需要对材料相变过程中导热系数的变化进行测定研究。

下表以摩尔比为6：4的二元癸酸-月桂酸相变材料为例，测定不同温度不同相变阶段的导热系数，结果如下。

表2中样品温度指的是初始探头温度和测试结束时探头温度的平均值。当样品温度处于43℃以下时，材料的导热系数随温度的升高而升高，当温度处于43℃以上时，其导热系数随温度的升高而基本不变，甚至略有下降。试样在室温下温度均匀分布，试验开始后，热量主要依靠热传导的方式传递，随后测试温度的升高，测试过程中材料由固态逐渐熔融为固液混合物，随着液态材料的增多，其传热方式慢慢变为热对流和热传导两种方式，材料传热速率随之加快。所以，对于固态-固液混合态的相变材料，其导热系数随温度上升最主要的原因就是热对流和热传导的共同作用，而不完全是热传导加快的原因。在整个过程中，热传导速率逐渐下降，对流传热慢慢加快，在固液相变过程中，特别是在相变后期，对流逐渐占据主导，热传导几乎可以忽略，该过程主要以对流为主。材料相变完全发生后，材料呈现液态并进入稳定对流传热状态，此时导热系数稳定。

4 硅藻土对相变材料导热系数的影响

以摩尔比为6：4的二元癸酸-月桂酸相变材料为例，在其中添加一定比例的硅藻土颗粒，添加量的质量分数分别为10%，20%，30%，40%，50%。制作工艺与前面一样，然后按相同的方法测定复合相变材料导热系数，结果如图1所示。

从表3可以看出，加入硅藻土后相变材料的导热系数比二元相变材料明显增加，但是其导热系数随温度变化规律与单一相变材料一致，当样品温度处于45℃以下时，材料的导热系数随温度的升高而升高，当温度处于45℃以上时，其导热系数随温度的升高而基本不变，甚至略有下降。主要原因是相变材料从固态加热升温转变为固液混合态时，其传热方式发生变化，从单一的热传导转变为热对流和热传导，二者共同作用加快传热速率，从而表现出导热系数的增加。整个过程包括导热和对流两种方式。熔化初始阶段对流和传导两种方式占主导地位，随着液体逐渐增多，传导慢慢下降，对流慢慢上升；在相变后期，传导逐渐消失，对流占据主导，当相变材料完全熔化后，材料进入稳定对流段，导热系数不再增加。

5 实验结论

本文通过测试不同摩尔比二元癸酸-月桂酸相变材料以及该材料在不同温度下的导热系数，以及硅藻土的加入对相变材料导热系数的影响，得出下列结论：

5.1 相变材料的相变潜热和相变温度随材料摩尔比的变化而变化，当月桂酸-癸酸摩尔比比2：8小时，其导热性随摩尔比的降低而降低。

5.2 相变材料的导热系数和相变温度呈反比例关系，相变温度越高，其导热系数越低，导热系数随材料温度的升高而有所升高，但当温度升高到一定阶段后，材料进入稳定状态，导热系数保持稳定。

5.3 硅藻土能有效改善相变材料的传热性，添加硅藻土能明显增加材料的导热系数。复合相变材料的导热系数随硅藻土含量的提高而逐渐升高，但是当硅藻土加入量超过20%时，相变材料的导热系数增加缓慢。

6 展望

随着相变材料的不断研究和开发，其在建材中的应用越来越广泛。而且随着人们环保节能意识的提高，储能相变建筑材料的应用将会越来越广阔。