石墨烯相变材料的研究摘要：随着热管理及热存储技术的发展，储热技术逐渐扮演着越来越重要的角色，于此同时 寻找高性能的储热材料也成为了研究热潮近年来，相变材料的发展为储热技术带来了福音， 相比于其他热导率低，储热性能差的储热材料，相变材料有着天然的优势而在相变材料中， 石墨烯相变材料是如今发现的储热性能最优异的相变材料，通过将石墨烯作为填充材料，相 变材料的储热能力大大提升关键词： 热存储 相变材料 储热材料 石墨烯前言：在热能的存储和利用过程中，常常存在于在供求之间在时间上和空间上不匹配的矛盾，如 太阳能的间歇性，电力负荷的峰谷差，周期性工作的大功率器件的散热和工业余热利用等 相变储能材料通过材料相变时吸收或释放大量热量实现能量的储存和利用，可有效解决能量 供求在时间和空间上不匹配的矛盾因此，相变储能技术被广泛应用于具有间歇性或不稳定 性的热管理领域，如航空航天大功率器件的管理，周期性间歇式电子工作器件的散热，太阳 能利用，电力的“移峰填谷”，工业废热余热的回收利用，民用建筑的采暖及空调的节能领 域等近年来，相变储能技术成为能源科学和材料科学领域中一个十分活跃的前沿研究方向相变储能材料具有储能密度大储能释能过程近似恒温的特点。
但多数相变储能材料存在热 导率低，换热性能差等缺点采用具有高导热，低密度，耐腐蚀和化学稳定性好等优点的碳 材料对其进行强化传热，可有效提高系统换热效率常用的固-液定型相变储能材料实际上 是一类复合相变材料，主要是由两种成分组成：一是工作物质；二是载体基质工作物质利 用它的固-液相变进行储能工作物质可以是各种相变材料，如石蜡，硬脂酸，水合盐，无机 盐和金属及其合金材料载体基质主要是用来保证相变材料的不流动性和可加工性，并对其 进行强化传热石墨烯是一种新型碳材料，它具有由单层碳原子紧密堆积而成的二维蜂窝状紧密堆积结 构它是构建其他维度炭质材料的基本单元石墨烯本身具有非常高的导热系数，并兼具密 度小，膨胀系数低和耐腐蚀等优点有望成为一种理想型散热材料将石墨烯作为强化传热载 体，有可能克服单一相变材料热导率低的缺点，缩短复合体系热响应时间，提高换热效率实 现复合材料传热和储热一体化本文通过查阅大量文献以及亲自做实验得出了一些数据和结论正文1.根据同济大学田胜力、张东、肖德炎、向阳等人2006年在《材料开发与应用》上发表的文 章，他们对脂肪酸相变储能材料的热循环行为进行了系统的研究试验试验选用了化学纯的癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸和棕榈酸等四种脂肪酸为研究对象，利用差示扫描量热技术（DSC）测定了经过56次、 112次、 200次和400次反复热循环的相变材料的融化温度和融化潜热，加速热循环试验结果显示：癸酸融化温度范围变窄了 4°C左右，肉豆蔻酸融化温度范围变宽了 3°C左右，月桂酸和棕榈酸的融化温度范围变化不明显，其中以棕榈酸的融化温度变化最小。
随着热循环次数的增加，相变材料的融化初始温度和融化潜热变化较小，且是没有规律的在400次左右的热循环范围内，这些脂肪酸具有较好的热稳定性，有作为潜热储存材料的应 用潜力且此四种脂肪酸的融化温度在30°C到60°C之间，适于用作绿色建筑材料及其他室温 范围内的潜热储存过程考虑到相变材料的使用时间可能更长，因此要测试以上脂肪酸长期 作为潜热储存材料的稳定性和可行性，需要更多次数的加速热循环实验来验证而Ahmet Sari在研究纯度为工业级的月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸是发现，经过1200次热循环后，这些 脂肪酸的融化温度均逐渐降低，降低最大值为6.78C，并且，脂肪酸的融化温度变宽了这 与上文实验结果有所出入，可能是由于脂肪酸原材料的纯度和产地不同造成的因此，原料 的选取对材料的性能有很大影响2.2012年1月20日，中国科学院上海硅酸盐研究所的黄富强等人申请了他们的最新专利：三 维石墨烯/相变储能复合材料及其制备方法三维石墨烯/相变储能复合材料的特征在于石墨 烯与相变储能材料原位复合，其中以具有三维结构的多孔石墨烯作为导热体和复合模板，以 固-液相变的有机材料作为储能材料和填充剂可以采用兼具曲面和平面特点的泡沫金属作 为生长基体，利用CVD方法制备出具有三维连通网络结构的泡沫状石墨烯材料。
通过该方 法制备的石墨烯材料完整的复制了泡沫金属的结构，石墨烯以无缝连接的方式构成一个全连 通的整体，具有优异的电荷传导能力，巨大的比表面积，孔隙率和极低密度并且，这种方 法可控性好，易于放大，通过改变工艺条件可以调控石墨烯的平均层数，石墨烯网络的比表 面积，密度和导电性以金属模板CVD法制备的三维石墨烯泡沫具有丰富的孔结构特征， 其比表面积高，孔壁孔腔高度连通，为基体材料提供可复合填充的空间若将三维多孔石墨 烯和相变材料复合，相变储能材料被分隔在各个孔腔，与石墨烯壁紧密结合，有效热接触面 积大幅度提高，高度连通的石墨烯三维导热网络通道将快速实现系统换热另一方面多孔石 墨烯的毛细吸附力将液态相变储能材料局域化，可有效防止渗透3.2012年6月来自于中国科学院能源转换材料重点实验室，上海硅酸盐研究所的周雅娟，黄富强等人发表了一篇名为太阳能材料和太阳能电池的论文，这篇论文重点讲解了他们最新研 制出的一种由石墨烯三维气凝胶（GA）和硬脂酸（OA）组成的相变材料GA是通过石墨 烯氧化物在热水表面反应制得，三维石墨烯网络的空隙尺寸只有几微米而且薄壁墙是石墨烯 片层堆积而成，OA通过GA的毛细管力牵引下进入到GA中。
GA/OA复合材料的热稳定性达 到了2.635W/mk,是OA的14倍GA/OA复合材料的短暂升温和冷却过程是在为热能量存储 做准备GA是一种低密度材料因此在复合材料中仅占15%的比重，这种复合材料能够大大 减少或消除材料内部的热电阻，表现出一种高储热的能力，达到181.8J/g,与独立的OA材 料非常接近，研究中发现，大多数相变材料的热储存能力都较低，为了提高材料的热传递能 力，金属泡沫添加剂进入了专家们的视野，然而他们进一步发现金属泡沫添加剂与原材料不 兼容经过数次实验得出的结论，石墨烯材料具有很好的热稳定性和热传递能力，并且与原 材料兼容由石墨烯片层组成的三维网络结构在相变材料领域有着巨大的潜力4•来自于浙江杭州辐射研究所的邢芳，李悟凡等人发表了关于烷烃类相变材料的文章烷烃 及其混合物由于自身的中低温度热能量储存能力已经被广泛应用于相变材料中在这些烷烃 中，熔化温度为37度的二十烷已经出现在诸如电子领域的基于能量储存的被动热管理技术 中为了提高二十烷的热导性，将石墨烯纳米片添加进二十烷这个课题正在试验中这种复 合相变材料是将石墨烯纳米片均匀分布在液体的二十烷中通过扫描量热计测量它的热融合 和融化点，我们发现在10度的时候热传导能力整整增加了 4倍，这表明石墨烯纳米片相对于传统的一些填充来说有着更好的表现。
石墨烯纳米片的两维平面形态降低了热表电阻，这也 是为什么它效果这么好的原因扩大的石墨烯片层有着高导电性和低密度性，能有效地增强 相变材料的热性能5.同济大学材料科学与工程学院的田胜力、张东、肖德炎等人利用多孔石墨的毛细管作用吸 附硬脂酸丁酯制成了一种定形相变材料的相变温度、相变潜热和热稳定性，得出硬脂酸丁酯 含量的临界值研究表明，硬脂酸丁酯与纳米多孔石墨形成的定形相变材料相变温度合适、 相变潜热较大、热稳定性好，是适合于在建筑墙体中使用的相变材料对不同含量的硬脂酸 丁酯/多孔石墨复合材料利用差热扫描仪进行DSC测试显示，相变复合材料的峰值温度为 26°C,与纯硬脂酸丁酯的熔点相同，即定形相变材料的熔点不变，为硬脂酸丁酯的熔点定 形材料的潜热随硬脂酸丁酯含量的变化而变化，硬脂酸丁酯含量越高，定形相变材料的相变 潜热越大，近似呈线性关系此定形相变材料的蓄热性能、均匀性和热稳定性好，具有较大 的相变潜热，其相变温度在26C，适合做室温相变材料，有助于建筑节能此定形相变材料 中硬脂酸丁酯的含量又一个渗出临界值，当硬脂酸丁酯质量含量达到90%时，有细微渗出， 使用时建议把含量控制在85%以内这种定形相变材料在经过多次热循环之后其相变潜热变 化较小，具有良好的热稳定性。
因此，硬脂酸丁酯/多孔石墨相变材料是较好的可应用于建 筑墙体的相变材料6.2013年，新乡学院能源与燃料研究所的周建伟等人以氧化石墨烯为基质、硬脂酸为储热介 质用液相插层法成功制备了硬脂酸/氧化石墨烯相变复合材料其中以氧化石墨烯维持材料 的形状、力学性能，把硬脂酸嵌在片层结构的氧化石墨烯基质中，通过相变吸收和释放能量， 提高其储热、导热性能和循环性能该相变材料具有适宜的相变温度和较高的相变潜热，相 变材料与基质具有较好的相容性，在相变过程中没有液体泄漏现象，复合相变储热材料储/ 放热时间比硬脂酸减少，且热稳定性良好实验表明，硬脂酸质量分数为40%的硬脂酸/氧化 石墨烯复合相变材料的相变温度为67.9°C,相变潜热为289.2J/g经过连续冷热循环试验发 现，复合相变材料的储热/放热时间比纯硬脂酸缩短，相变温度和相变潜热变化较小，表明 硬脂酸/氧化石墨烯复合相变材料具有良好的热稳定性和兼容性因此,通过此方法一方面 将硬脂酸局限在片层结构中,解决了相变过程中的渗出泄露问题；另一方面,利用氧化石墨 烯良好的热传导性提高复合相变材料的传热效率,弥补了硬脂酸在导热、换热方面的缺陷7.2013年10月12日到10月16日,在上海举办的中国高分子学术论文报告会上,四川大学高分 子材料科学与工程学院亓国强等人提出了他们的最新成果：聚乙二醇/氧化石墨烯定型相变储 能材料的制备与性能研究，研究发现聚乙二醇（PEG ）是一种性能优良的固-液相变储能材 料。
相变过程中会发生熔体流动泄露,故需要对其进行封装,但封装又会降低其热导率,影 响工作效率，增加成本因而加入另一种物质作为支撑定型材料，制备复合定型相变材料成 为另一种选择但通常过高的添加量会严重影响材料的储能性能于是通过向 PEG 中加入 氧化石墨烯（GO）作为定型支撑材料，用溶液共混法在GO含量仅为8%时成功制备了 PEG/GO 定型相变储能材料该材料在超过熔点一倍时仍保持形状稳定 GO 的加入对相 变材料熔点基本没有影响，但在低含量下促进结晶，当含量高于4wt%时阻碍结晶的进行 相变潜热随GO含量的提升有所下降，但在能维持材料定型的最低含量（8wt%）时，仍高 达135 J/g,可以有效应用于储能领域该材料在经历200次升降温循环后，相变温度和相 变潜热变化不大，较稳定，具有良好的可重复使用性远在大洋彼岸，来自于加州大学河滨分校，加利福尼亚大学的Pradyum na Goli, Sta nislavLegedza, Aditya Dhar等人一直在进行关于锂电池的研究锂电池在在移动通讯和交通动力中扮演着重要角色，但是由于其自身的自加热作用使得使用寿命大大缩短，为了解决这一 问题，学者们经过大量实验发现锂电池的可靠性通过将石墨烯作为填充材料能够大大的改 善。
传统的热管理电池由于其相位只在一个很小的温度范围内变化，减小了电池内温度的上 升，故只能依赖于潜在的储热能而将石墨烯掺入碳氢化合物相变材料中可以将其导电能力 提高到原来的两个数量级倍，同时还保持潜储热能力显热-潜热相结合的热传导组合能够 大大地减少锂电池内部温度的上升储热-热传导的方法即将在锂电池和其他类型电池的热 管理领域引领一场变革9.2008年4月24日来自于首尔崇实大学工学院建筑系的Sumin Kim a, Lawre nee T. Drzal b等人研制出了一种具有高导电性和高储热能力的相变材料使用剥离的石墨烯纳米片，石墨 烯相变材料可以提高在液晶中的高导电性，热稳定性以及潜储热能力在扫描电子显微镜显 示下，石墨烯相变材料均匀分布在液晶中，而良好的均匀分布意味着高导电能力。