纳米增强相变材料的热物性评估与多响应优化：一种实验方法

《Thermochimica Acta》：Thermophysical Evaluation and Multi-Response Optimization of Nano-Enhanced PCMs: An Experimental Approach

　　

•开发了含有4种纳米材料、以十六醇/石蜡为基底的混合PCM。
•碳纳米管（CNTs）被确定为最大化热导率的主导纳米颗粒。
•评估了热导率增强与潜热容量之间的权衡关系。
•应用了田口试验设计（DOE）并证明了较高的循环热稳定性。
•提出了电子设备热管理的指导方针。

**引言**

目前，包括交通运输、生活舒适度和医疗保健在内的许多重要活动，如果缺乏能源，将会受到中断。鉴于能源在确保人类舒适度方面的根本重要性，很难想象一个没有能源的生活。因此，鉴于过去五十年内能源消耗量远高于此前两个世纪的水平，能源的供给及其高效利用至关重要[1]。

目前，研究热存储策略是实现人类社会可持续发展所必需的关键途径。热能存储系统的设计旨在防止能量逸散到环境中，其基于三种方法：显热、潜热和热化学存储系统。公认的是，潜热存储的能量存储密度高于显热。此外，采用潜热储能的一个关键优势在于在吸热和放热过程中温度相对稳定[2,3]。PCM能够储存大量焓值，使其能够为不同应用储存能量，例如将电子设备关键组件的温度调节至安全运行范围内[4]。

PCM根据相变过程的性质分为固-液型、液-气型和固-固型。此外，PCM还可分为有机、无机和共晶型。有机类别包括石蜡和非石蜡类型。无机PCM由水合盐和金属化合物组成。共晶物质由两种或两种以上PCM的均匀混合物产生，可进一步细分为有机-有机、有机-无机和无机-无机类别[2]。

选择合适的PCM用于热管理，需要评估以下几个关键标准：1-最佳相变温度；2-高热导率；3-增强的潜热；4-相变过程中体积变化最小；5-低过冷温度；6-成本效益；7-安全性；8-高化学稳定性；9-低蒸气压和快速结晶；10-高热扩散率[5]。具有高能量密度的PCM能够储存和释放大量能量。然而，一个显著的问题在于常用PCM的热导率较差，限制了其实际应用。因此，有必要向这些PCM中整合能够改善其热导率的材料[6]。

增强PCM热导率的多种方法包括：通过设计带鳍片的换热器来扩展热交换表面、在PCM中引入金属基体、对PCM进行微封装，以及通过开发利用添加剂的新相变复合材料来提高存储材料的热导率[7]。引入高热导率纳米颗粒可能是增强这些被称为纳米增强相变材料（NEPCMs）的PCM热导率的有效途径。NEPCMs在热导率方面的有效性受到质量浓度以及分散纳米颗粒的表面和物理特性的影响[8]。Khodadadi等人提出研究表明，纳米颗粒在增强用于热能存储的PCM热导率方面是有效的[9]。Ho和Gao研究了掺入不同比例氧化铝纳米颗粒的正十八烷PCM的有效热物理性质，包括熔融潜热、密度、动力黏度和热导率[10]。Colla等人研究了掺入分散氧化铝和炭黑纳米颗粒的RT20和RT25石蜡的潜热和热导率。他们的发现表明，这些添加剂同时增强了潜热和热导率，使这些纳米复合NEPCMs有益于热能存储和被动冷却系统的应用[11]。Al-Waeli等人评估了使用纳米增强石蜡的PV系统。他们发现该系统将组件温度从68°C降低至约312.15 K。这一改进使PV系统能够运行得更好，提高了电效率，并使提取的热量可用于其他应用[12]。

最近，Zhong等人研究了由向正二十烷中添加不同石墨烯纳米片（GNPs）制成的NEPCMs的热物理性质。他们重点关注GNPs尺寸如何影响热导率和黏度。结果表明，较低纵横比的GNPs通过形成更好的热网络提高了热导率，此外，减少GNPs之间的粒子间距提高了黏度[13]。Gür等人通过将Y2O3纳米颗粒分散到肉豆蔻酸基体中开发了纳米复合PCM。其热物理表征表明，纳米颗粒的加入显著增强了热导率——在固相中提高高达43.125%——同时略微降低了潜热，数值分析证实与矩形鳍片结合时电子冷却性能有所改善[14]。Karaipekli等人实验研究了由水和表面功能化纳米封装PCM组成的潜热功能热流体的热物理特性。他们发现，NEPCMs的制备在25°C时，对于0.5%、1.0%、1.5%和2.0 wt.%的NEPCM负载量，热导率分别提高了7.5%、7.6%、11.5%和13.4%[15]。在一个封闭腔体（带有半圆形隔板）中评估了B4C增强的RT44HC纳米复合PCM的热性能。掺入B4C纳米颗粒显著改善了其热物理性质，与纯PCM相比，热导率提高高达69.65%，能量存储容量提高了19.68%[16]。其他研究表明，用碳化硼纳米颗粒修饰HITEC熔融盐显著增强了其高温热物理性质[17]。掺入2.0 wt% B4C使热导率提高了50.42%，并将热分解起始温度提高到661°C，而1.5 wt% B4C使液相比热容提高了34.25%并提高了熔融焓[18]。

在Jeon等人进行的一项研究中，研究了向三种质量分数为3%和5%的十六烷、十八烷和石蜡的PCM中添加石墨纳米片，结果十六烷的热导率分别提高了48%和74%，十八烷提高了75%和101%，石蜡提高了27%和73%[19]。增加PCM中纳米颗粒的质量分数总是能提高热导率，但通常伴随着潜热的降低。据报道，在硬脂酸中添加高达0.3%的纳米颗粒，热导率提高了75%，潜热降低了约4%[20]。利用熔融混合法将石墨烯纳米片（GNP）和多壁碳纳米管（MWCNT）添加到RT-54HC有机PCM中。发现GNP与MWCNT的最佳热导率比例为0.25:0.75，提高了40%。然而，随着纳米颗粒的增加，潜热略有下降。据报道，这些复合材料适用于中温熔点应用[21]。一项实验研究评估了用椰子壳衍生活性炭（CS-AC）增强的去离子水在填充床冷热能存储系统中的凝固行为。掺入1.2 wt% CS-AC显著改善了充电性能，与纯水相比凝固时间缩短了高达31%，而开发的半经验关联式准确地预测了系统在不同运行条件下的热行为[22]。?ztop等人数值评估了装在通道内的RT25HC PCM块的熔融行为（块体经倾斜板增强）。其有限体积分析表明，优化板角度（110°）可有效控制热分布并加速相变，实现PCM质量分数速率的四倍增长[23]。RT28HC在太阳能干燥机中的CFD模拟表明，在三壁PCM布局下，优化气流和温度将熔化时间缩短至7小时，确保了高效的热能存储和释放[24]。

一种太阳能辅助辐射供暖系统集成了碳化硼纳米颗粒增强的相变材料，用于近零能耗建筑。有限体积数值分析表明，优化的NEPCM显著改善了室内温度调节，与无PCM系统相比实现了2.82 K的较高温度差[25]。通过在去离子水中分散TiO2纳米颗粒和石墨烯纳米片（不使用表面活性剂），开发了一种稳定的混合PCM。热物理评估表明，该混合配方实现了最高1.21 W/mK的热导率，保留了超过90%的潜热容量，有效抑制了过冷现象，并与纯水相比将冻结时间缩短了38%[26]。Sundaram等人配制了一种用于冷热能存储的水基相变材料，使用椰子壳衍生活性炭（CNS-ACC）增强。其热物理分析表明，添加1.2 wt% CNS-ACC在固相中使热导率提高了22%，液相中提高了9%，完全抑制了过冷现象，并将整体凝固持续时间缩短了18.5%，尽管潜热和比热略有降低[27]。此外，Sathishkumar和Cheralathan评估了用功能化石墨烯片增强的去离子水用于冷储能。使用校正的DSC分析，他们表明掺入0.75 wt% f-GP使熔化和冻结时间分别减少了36.01%和27.75%[28]。Sathishkumar等人开发了一种基于脂肪酸的、使用石墨烯纳米片增强的用于冷热能存储的纳米增强PCM。其热物理评估揭示，掺入0.75 wt% GNP使热导率提高了54%，同时凝固时间缩短了32%，制冷机能耗降低了高达32%[29]。在另一项研究中，评估了一种用活性炭（AC）增强的芦荟液（AVL）相变材料，用于冷热能存储。在基于AVL的NEPCM中掺入1.5 wt% AC后，固相热导率提高了34%，保持了高潜热容量，完全消除了过冷现象，并将总凝固时间缩短了22%[30]。

仔细审视文献可以发现，在NEPCMs的发展中存在一个关键的缺失环节：尽管单一和混合系统已被广泛研究，我们仍然缺乏对多种纳米材料家族——从金属和金属氧化物到碳结构——如何在混合有机基体中相互作用的多变量系统性理解。依赖传统的试错方法不仅耗费时间和资源，而且使我们无法清晰地从统计角度把握每个因素如何真正驱动性能。为弥补这一差距，本研究引入了一套使用田口L16正交阵列的精简优化框架。我们同时对三个关键设计支柱在四个不同水平上进行评估：基体组成（纯石蜡、纯十六醇及其2:1和1:2混合物）、核心纳米材料化学（SiO2、TiO2、CNTs和Au）以及掺杂浓度（0至5 wt.%）。通过将此设计与多因素方差分析（ANOVA）相结合，我们超越了简单的实验捷径，精确量化了每个变量的百分比贡献。这使得我们能够描绘出增强热导率与必然在潜热和比热容方面产生的惩罚之间的微妙权衡。最后，本工作提供了关于所开发纳米复合材料制备、稳定性和对比热行为的基础见解，为未来旨在热管理和潜热热能存储（LHTES）应用的研究提供了有用的基线。

**材料与方法**

适用于各种应用的PCM的选择基于相变温度、相变焓和其他性质。对于芯片冷却应用，合适的相变温度最高为70°C[31]。因此，本研究中选择了两种广泛使用的PCM——石蜡和十六醇（鲸蜡醇）。根据图1，本研究中两种PCM均购自德国Merck品牌的实验室级产品，纯度为99.9%。各种纳米颗粒已……

**结果与讨论**

PCM是广泛应用于热能存储的材料，因为其具有高焓值用于储热；因此它们可用于太阳能、制冷、电子冷却、纺织品、废热回收、地板供暖系统、食品和牛奶保存应用[39]。热导率、比热容和相变潜热是本研究中调查的热管理和能源存储系统的重要特性。

**结论**

在本研究中，使用田口DOE方法评估了在不同质量分数下整合CNTs、金属、金属氧化物和非金属氧化物纳米材料对纯和混合PCM热物理性质的影响。未来的研究可聚焦于全面评估关键运行参数——如液相热导率、动力黏度、过冷程度、相变过程中体积变化以及瞬态充放电行为——以弥合……

**作者贡献表**

| 作者姓名 | 概念化 | 方法论 | 软件 | 数据整理 | 可视化 | 调查 | 验证 | 监督 | 初稿撰写 | 修订稿撰写 |
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| Aliasghar Khodabakhshi | *** | *** | *** | *** | *** | *** | *** | *** | *** | *** |
| Hassan Pirnia | *** | *** | *** | *** | *** | *** | *** | *** | *** | *** |
| Davoud Ghanbari | *** | *** | *** | *** | *** | *** | *** | *** | *** | *** |
| Sarallah Abbasi | *** | *** | *** | *** | *** | *** | *** | *** | *** | *** |

**CRediT作者贡献声明**

Abazar Abadeh：初稿撰写，可视化，验证，监督，项目管理，方法论，调查，正式分析，数据整理，概念化。

Aliasghar Khodabakhshi：数据整理。Hassan Pirnia：数据整理。Davoud Ghanbari：数据整理。Sarallah Abbasi：撰写——初稿。Abazar Abadeh|Aliasghar Khodabakhshi|Hassan Pirnia|Davoud Ghanbari|Sarallah Abbasi