原位生长氧化铜纳米线以提高相变材料-金属泡沫系统的热性能

《Journal of Energy Storage》：In-situ growth of copper oxide nanowires for enhanced thermal performance in phase change material–metal foam systems

相变材料（PCM）与金属泡沫复合系统通过原位生长CuO纳米线涂层，有效改善界面热传导性能。实验表明，CuO纳米线涂层使铜表面接触角从93.9°降至<5°，显著增强润湿性，消除固体-液态PCM界面气泡（空气间隙覆盖率从17.1%降至0%），同时实现熔化时间减少达21.2%（PEG6000）和凝固时间减少8.6%（石蜡）。该技术通过微结构调控实现被动、稳定的热性能提升，适用于不同粘度的PCM系统，且无纳米颗粒分散带来的稳定性问题。

　　近年来，随着全球对可持续能源和高效热管理技术需求的不断增长，相变材料（PCMs）在热能储存（TES）系统中的应用日益广泛。PCMs因其能够在接近恒定温度下储存和释放大量潜热的特性而受到重视。然而，其固有的低热导率成为制约其性能的关键因素，限制了充电和放电的速度。为解决这一问题，研究人员尝试通过添加高导热率的纳米颗粒来增强PCMs的热性能，但该方法仍面临纳米颗粒聚集、沉降以及在热循环过程中的稳定性挑战。此外，将PCMs嵌入金属泡沫中虽能提供更稳定的增强效果，但空气被困在界面可能导致热传导效率下降，尤其是在熔化和凝固过程中。

为克服这些挑战，本文提出了一种原位表面修饰技术，通过在铜基底和泡沫骨架上直接生长氧化铜（CuO）纳米线，从而改善PCMs与金属表面之间的润湿性和接触效果，同时不改变PCMs的本体性质。实验结果表明，CuO涂层能够显著提升PCMs的熔化效率，对于石蜡和PEG6000，熔化时间分别减少了21.2%和16%，并且最终润湿面积增加了超过250%。此外，通过微计算机断层扫描（μCT）成像确认，CuO纳米线能够消除固化的PCMs与金属表面之间的空气间隙，使空气孔隙的覆盖率达到零。而在PCM浸入铜泡沫的实验中，CuO纳米线涂层的泡沫相比未涂层的泡沫，使石蜡的熔化时间减少了9.1%，PEG6000减少了16%，而凝固时间则分别降低了8.6%和4.5%。

这些结果不仅与文献中报道的金属泡沫-纳米颗粒复合材料的性能相当，甚至在某些情况下表现更优，同时避免了传统纳米颗粒分散方法中可能出现的问题。本文提出的方法为提升PCM-金属泡沫系统的界面热传导提供了一种被动、可扩展且耐用的解决方案，有望在未来的热能储存系统中广泛应用。

在实际应用中，PCM-金属泡沫系统的热性能提升主要依赖于材料的结构优化和界面特性改善。金属泡沫因其高热导率、低密度和大比表面积，能够有效促进热量的传导和分布，提高PCM熔化和凝固的均匀性，从而加快相变过程。然而，由于金属泡沫的多孔结构，自然对流在液态PCM中往往受到抑制，特别是在底部加热配置中，这种抑制对于低粘度的PCM尤为显著，因为自然对流通常是主要的热传递方式。因此，为了平衡传导和对流对热响应的贡献，需要对泡沫结构进行细致的优化。

研究还发现，CuO纳米线的生长不仅改善了表面润湿性，还通过增加接触面积和促进液态PCM的均匀分布，提高了热传导效率。通过实验观察和分析，CuO纳米线在铜表面形成了一种均匀的纳米线森林，有效减少了空气被困在界面的可能性，从而提升了热接触的稳定性。此外，CuO纳米线的高长宽比结构能够引导液态PCM的毛细流动，形成更薄且均匀的液膜，进一步降低了界面热阻。

为了评估这种改进效果，研究者采用多种实验方法进行测试，包括对平面上PCM熔化和润湿行为的观察，以及通过μCT成像对PCM-金属界面质量的分析。这些实验不仅展示了CuO纳米线对PCM熔化和凝固行为的积极影响，还提供了从微观到宏观的多尺度视角，帮助理解纳米结构如何改变热传递机制。研究还发现，尽管CuO纳米线涂层在提高热传导方面表现优异，但其在长期循环测试中的稳定性仍需进一步验证，这将是未来研究的重点。

此外，研究还探讨了不同PCM材料对CuO纳米线表面润湿性的响应。例如，对于石蜡，由于其较低的粘度和表面张力，CuO纳米线涂层能够显著加快其熔化速度，使其在70°C和80°C下的熔化时间分别减少10.4%和8.7%。而对于PEG6000，其较高的粘度和表面张力使得熔化速度相对较慢，但CuO纳米线的润湿性改善仍使其熔化时间减少了21.2%和16%，最终润湿面积增加了约250%。这些结果表明，CuO纳米线涂层能够有效提升不同类型的PCM在热能储存系统中的表现，为开发更高效的热能储存技术提供了新的思路。

通过比较分析，研究者发现CuO纳米线涂层的金属泡沫在提升PCM热性能方面具有显著优势。相比传统的纳米颗粒分散方法，CuO纳米线涂层避免了粒子聚集、沉降以及粘度增加等问题，同时提供了更高的热导率和更稳定的界面接触。这使得CuO纳米线涂层在提升PCM热响应方面具有更高的效率。此外，CuO纳米线的生长过程还能够通过表面修饰技术，使PCM在熔化和凝固过程中保持更好的接触和更均匀的热分布，从而提升系统的整体性能。

从实验结果来看，CuO纳米线涂层的金属泡沫在提升PCM热性能方面表现优异，特别是在底部加热配置中，其能够有效促进热传导，同时避免自然对流的抑制。这种原位生长的纳米线不仅改善了PCM与金属泡沫之间的界面特性，还通过增加接触面积和促进液态PCM的均匀分布，提高了热传递效率。因此，该方法为提升PCM-金属泡沫系统的热性能提供了一种新的途径，有望在未来的热能储存系统中得到广泛应用。

此外，研究还探讨了不同实验条件下对PCM热性能的影响。例如，在平面上，CuO纳米线涂层能够显著提升PCM的润湿性和熔化速度，而在金属泡沫中，CuO纳米线的生长能够有效减少空气被困在界面的可能性，从而提升热接触的稳定性。这些结果表明，通过纳米线表面结构的优化，可以显著提升PCM-金属泡沫系统的热性能，为开发更高效的热能储存技术提供了重要的参考依据。

最后，研究者指出，虽然CuO纳米线涂层的金属泡沫在提升热性能方面表现出色，但其在长期循环测试中的稳定性仍需进一步研究。因此，未来的工作将重点研究CuO纳米线涂层在多个热循环过程中的表现，以验证其在实际应用中的可靠性。同时，研究者也建议将这种表面修饰技术与传统的纳米颗粒分散方法相结合，以进一步提升热传递性能，为未来的热能储存系统设计提供更多可能性。