摘要

定形復(fù)合相變材料(SCPCM)具有高能量存儲(chǔ)密度和高熱穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，然而內(nèi)部的相變介質(zhì)在持續(xù)吸熱發(fā)生相變時(shí)，熔融態(tài)的相變介質(zhì)容易泄漏，造成材料變形和腐蝕的問(wèn)題。利用氫氧化鈉(NaOH)對(duì)粉煤灰(FA）進(jìn)行簡(jiǎn)單的改性處理，以改性粉煤灰(mFA)為陶瓷基體材料，Al-12Si合金粉為相變介質(zhì)，通過(guò)混合燒結(jié)法制備高溫定形復(fù)合相變材料(HTSCPCM)。采用掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線能譜分析儀(EDS)、X射線衍射儀(XRD)、全自動(dòng)比表面及孔隙度分析儀(BET)、同步熱分析儀(TG-DSC)和導(dǎo)熱系數(shù)儀(HotDisk)等進(jìn)行測(cè)試與表征。結(jié)果表明，堿改性制備的mFA表面呈豐富的多級(jí)結(jié)構(gòu)，比表面積由3.82cm2/g提升到40.86cm2/g，孔容由0.008cm3/g提升到0.085cm3/g?；旌蠠Y(jié)法制備的Al-12Si/mFAHTSCPCM成形效果良好，Al-12Si合金粉與改性粉煤灰陶瓷基體結(jié)合緊密，基體對(duì)Al-12Si合金粉的最大負(fù)載率為65%，相變潛熱為97.76J/g，熱導(dǎo)率為15.10W/(m·K)。在經(jīng)過(guò)100次冷熱循環(huán)后，形態(tài)依舊完整，無(wú)泄漏情況發(fā)生，相變潛熱變?yōu)?1.32J/g，循環(huán)前后僅降低6.6%。因此，本工作制備的Al-12Si/mFAHTSCPCM具有相變溫度適宜、熱導(dǎo)率高、儲(chǔ)熱密度高和易加工等優(yōu)點(diǎn)，有望在高溫儲(chǔ)熱領(lǐng)域被應(yīng)用。關(guān)鍵詞

粉煤灰；相變材料；熱能儲(chǔ)存；鋁硅合金能源匱乏的問(wèn)題日益受到全世界的關(guān)注，各國(guó)相繼提出了碳中和的承諾。開(kāi)發(fā)可持續(xù)發(fā)展的清潔能源和提高能源效率是解決能源問(wèn)題的最佳途徑。熱能存儲(chǔ)的開(kāi)發(fā)能有效地解決熱能供需不匹配的問(wèn)題，顯熱儲(chǔ)存、熱化學(xué)儲(chǔ)存和相變潛熱儲(chǔ)存是熱能存儲(chǔ)的三種基本方式。熱化學(xué)存儲(chǔ)機(jī)理過(guò)于復(fù)雜，目前還處于研究階段，相變潛熱存儲(chǔ)的蓄熱密度遠(yuǎn)高于顯熱存儲(chǔ)，并且裝置緊湊，是目前的研究熱點(diǎn)。相變材料(PCM)有單位體積儲(chǔ)熱密度大、吸放熱溫區(qū)小等優(yōu)勢(shì)，但存在較低的熱導(dǎo)率導(dǎo)致在實(shí)際應(yīng)用中熱能的存儲(chǔ)和釋放效率低下的問(wèn)題，并且還會(huì)受到泄漏和腐蝕問(wèn)題的限制。該問(wèn)題可以通過(guò)封裝和形態(tài)穩(wěn)定技術(shù)來(lái)解決，定形復(fù)合相變材料(SCPCM)通常使用陶瓷骨架材料和PCM復(fù)合而成。高溫定形復(fù)合相變材料(HTSCPCM)中的相變介質(zhì)主要分為熔鹽、金屬及其合金，HTSCPCM可以將顯熱存儲(chǔ)和相變潛熱存儲(chǔ)有效結(jié)合。熔鹽在價(jià)格上雖存在優(yōu)勢(shì)，但是卻存在熱傳遞效率不理想、相變發(fā)生時(shí)體積變化較大、過(guò)冷度大等缺點(diǎn)。相對(duì)于此，金屬和合金有儲(chǔ)熱能力更強(qiáng)、熱穩(wěn)定性更佳、比熱容相對(duì)較小、熱導(dǎo)率高等特點(diǎn)，適用于需高效存儲(chǔ)及釋放熱能的儲(chǔ)熱設(shè)備。運(yùn)用CESSelector篩選高溫PCM，提出Al、Mg、Si和Zn可用于高溫儲(chǔ)熱，其中Al-12Si合金和Al-34Mg-6Zn合金的綜合性能最佳，尤其是Al-12Si合金，碳排放量最低。相較于其他金屬及合金，鋁合金的腐蝕性較小，并且相變溫度也更符合高溫儲(chǔ)熱設(shè)備，因此已得到廣泛應(yīng)用，如Al-Si、Al-Cu、Al-Mg、Al-Mg-Zn等。專注于鋁基合金的研究，結(jié)果表明Al-Si-Mg合金有最佳的儲(chǔ)熱容量，而Al-Si合金的綜合性能最優(yōu)。提出了一種金屬PCM的宏觀封裝方法，這種方法可以避免金屬腐蝕并減少體積膨脹引起的熱應(yīng)力。Lao等人使用SiCw/Al2O3蜂窩陶瓷作為敏感的外殼材料，并將Al-12Si合金封裝在其中，制得了擁有高儲(chǔ)熱性能的陶瓷基金屬?gòu)?fù)合材料。陶瓷已廣泛用于SCPCM的研究，具有優(yōu)異的化學(xué)相容性，是制備SCPCM良好的骨架材料，并且以金屬為相變介質(zhì)制備HTSCPCM也開(kāi)始受到關(guān)注。將Al粉和粉煤灰(FA)采用混合燒結(jié)的方法成功制備了粉煤灰基金屬?gòu)?fù)合相變材料，同時(shí)也使得作為固體廢棄物的FA得以利用。隨后朱桂花團(tuán)隊(duì)對(duì)以金屬及合金與FA采用混合燒結(jié)法制備HTSCPCM做了深入研究，得出在燒結(jié)過(guò)程中Al會(huì)轉(zhuǎn)變成Al-12Si合金，并且金屬及合金粉的粒徑、含量、相變介質(zhì)成分以及成形壓力都會(huì)對(duì)所制備材料的各項(xiàng)性能造成影響。在HTSCPCM中，相變介質(zhì)的含量越高，儲(chǔ)熱性能越強(qiáng)，但是當(dāng)相變介質(zhì)含量過(guò)大時(shí)，會(huì)造成泄漏腐蝕以及成形等問(wèn)題，針對(duì)如何提升粉煤灰陶瓷基體對(duì)相變介質(zhì)的負(fù)載情況的研究還鮮有報(bào)道。在利用FA做吸附劑的領(lǐng)域中，通常會(huì)對(duì)FA先進(jìn)行酸、堿、鹽、高溫以及復(fù)合改性處理，提升FA的比表面積及孔容，以達(dá)到提高承載能力的效果。相比于其他改性方式，堿改性方式簡(jiǎn)單易操作，且能大幅度增加FA的比表面積。本工作以氫氧化鈉(NaOH)溶液對(duì)FA先進(jìn)行簡(jiǎn)單的改性處理，獲得更適合做陶瓷基體的改性粉煤灰(mFA)，再采用混合燒結(jié)法將mFA和Al-12Si合金粉制備成HTSCPCM。研究了氫氧化鈉對(duì)FA的改性影響，并對(duì)FA改性之后所制備的HTSCPCM的熱物理性質(zhì)和熱穩(wěn)定性進(jìn)行了一系列的探索工作。1材料與方法1.1實(shí)驗(yàn)原料FA(河南鞏義熱電廠，F(xiàn)類(lèi)粉煤灰，粒度200目)，Al-12Si合金粉[中航邁特粉冶科技(北京)有限公司，粒度200目]，聚乙烯醇(PVA)(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，GR)，NaOH(天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司，AR)。1.2mFA的制備首先取一定量的FA置于坩堝內(nèi)，然后將裝有FA的坩堝放入電阻爐中，溫度設(shè)置為600℃，焙燒2h，消除粉煤灰中未燃盡的碳、硫，以及排出內(nèi)部氣體。如圖1所示，將濃度為2mol/L的NaOH和預(yù)處理后的FA按照液固比10∶1的比例倒入燒杯中，放入磁力攪拌器中水浴攪拌6h，水浴溫度設(shè)置為90℃，隨后濾出并用蒸餾水反復(fù)洗滌至pH=7，再將所獲得的mFA放入干燥箱，在100℃下干燥24小時(shí)備用。圖1

mFA的制備示意圖1.3Al-12Si/mFAHTSCPCM的制備制造工藝流程如圖2所示，先將Al-12Si合金粉、mFA按不同比例(50∶50、55∶45、60∶40、65∶35、70∶30)采用行星式球磨機(jī)球磨干式混合30min，取出3g放入研缽中備用，加入少量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的PVA溶液作為黏結(jié)劑后充分研磨使混料均勻。通過(guò)液壓機(jī)在3MPa下獲得直徑為20mm，高度為5mm左右的圓形片材，再將圓形片材充分干燥后放入電阻爐進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)溫度為950℃，保溫時(shí)間為2h，制得有足夠機(jī)械強(qiáng)度且形狀穩(wěn)定的HTSCPCM。圖2

mFA/Al-12SiHTSCPCM制備示意圖1.4燒結(jié)穩(wěn)定性及熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)由于相變介質(zhì)含量和燒結(jié)條件的影響，當(dāng)毛細(xì)力和表面張力不足以吸附相變介質(zhì)時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致液態(tài)相變介質(zhì)滲出和基體變形的情況。因此，需要通過(guò)多次熱循環(huán)試驗(yàn)，來(lái)觀測(cè)有無(wú)滲出的情況。將樣品置于電阻爐內(nèi)，升溫速率設(shè)置為10℃/min，當(dāng)溫度達(dá)到650℃時(shí)停止升溫，再自然降至室溫，如此循環(huán)100次，完成熱循環(huán)，測(cè)試樣品的各項(xiàng)性能指標(biāo)。1.5表征利用X射線熒光光譜儀(XRF，RIGAKUZSXPriums)測(cè)定FA改性前后無(wú)機(jī)氧化物含量。利用掃描電子顯微鏡(SEM)和X射線能譜儀(SEM-EDS，TESCANMIRA)在5kV的加速電壓下對(duì)FA改性前后的形貌和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察。X射線衍射儀(XRD，RigakuSmartLabSE)用于研究FA、mFA以及HTSCPCM的物相組成，掃描角度為10°～90°，掃描速度為2°/min。通過(guò)全自動(dòng)比表面及孔隙度分析儀(BET，MicromeriticsASAP2460)在77K下測(cè)定FA、mFA的N2吸附-解吸等溫線，材料需要先在200℃下脫水10小時(shí)，使用吸附和解吸等溫線計(jì)算比表面積，從在分壓下吸附N2的最大量獲得總孔體積。同步熱分析儀(TG-DSC，TA)用于測(cè)量材料的熱性能，在空氣流下以10℃/min速率加熱材料。傅立葉紅外光譜儀(FTIR，NicoletiS10)用于測(cè)定樣品的化學(xué)穩(wěn)定性，測(cè)試采用KBr粉末壓片法制備。熱導(dǎo)率通過(guò)導(dǎo)熱系數(shù)儀(HotDisk，TPS2500S)測(cè)定。2結(jié)果與討論2.1FA/mFA的化學(xué)組分及表征FA和mFA經(jīng)云南分析測(cè)試中心分析，其化學(xué)組成見(jiàn)表1，經(jīng)過(guò)NaOH改性處理之后，SiO2含量從51.10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，余同)下降至39.30%，Al2O3含量從26.43%增加到31.65%，Na2O含量從0.72%增加到8.69%，其他組分的含量也發(fā)生了微小的變化，表明FA在具有腐蝕性的堿溶液中發(fā)生蝕刻。通過(guò)SEM觀察堿處理的效果，如圖3(a)、(b)所示，未處理的FA具有光滑的球形結(jié)構(gòu)，在經(jīng)過(guò)NaOH處理之后，mFA的微球表面變得粗糙，且有大量細(xì)小顆粒和孔隙形成，基本骨架依舊完整，球形未發(fā)生坍塌現(xiàn)象，呈現(xiàn)出豐富的多孔結(jié)構(gòu)。EDS分析可依靠元素電子躍遷產(chǎn)生的特征X射線來(lái)確認(rèn)元素組成及含量。如圖3(c)、(d)所示，在FA中，Al/Si的質(zhì)量比為0.67，在mFA中Al/Si的質(zhì)量比為1.28。由FA和mFA的XRF和EDS的結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)NaOH改性之后，mFA中Al/Si的質(zhì)量比顯著提升。這是由于NaOH對(duì)鋁硅材料的蝕刻極其強(qiáng)烈，F(xiàn)A與腐蝕性的堿性物質(zhì)在一定溫度下充分混合進(jìn)行反應(yīng)，在粉煤灰表面會(huì)形成新的孔道結(jié)構(gòu)，并且使其表面致密且光滑的玻璃層薄膜破壞，暴露出內(nèi)部易水化的玻璃體。部分非晶態(tài)二氧化硅玻璃體與NaOH發(fā)生一系列反應(yīng)，從而FA中Al的含量增多。相比于SiO2，Al2O3的熱導(dǎo)率高得多，可有效提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱性，而且Na2O是常用的燒結(jié)助劑，Na2O的熔點(diǎn)較低，在燒結(jié)溫度下形成的熔融態(tài)可以促進(jìn)粉末粒子間的黏結(jié)，降低燒結(jié)溫度，并且可以促進(jìn)基體材料在粒界和空隙區(qū)的擴(kuò)散轉(zhuǎn)移，有利于粒子形成。因此，Na2O含量增加有利于之后的混合燒結(jié)。由此可見(jiàn)，mFA相比于FA，具有更高的熱導(dǎo)率和燒結(jié)條件，并且有穩(wěn)定的多孔骨架，在固-液相變過(guò)程中，強(qiáng)大的毛細(xì)作用力、表面張力能夠穩(wěn)定地吸附更多的相變介質(zhì)不發(fā)生泄漏，可作為HTSCPCM中理想的支撐材料。表1

FA和mFA的主要化學(xué)成分圖3

(a)FA；

(b)mFA的SEM圖像；(c)

和

(d)

為相應(yīng)EDS圖像2.2FA、mFA對(duì)Al-12Si合金的最大負(fù)載率Al-12Si合金與載體材料的質(zhì)量比越大，HTSCPCM的相變潛熱越大，然而，在達(dá)到相變溫度并持續(xù)吸熱時(shí)，Al-12Si合金由固態(tài)變?yōu)槿廴趹B(tài)的過(guò)程中，不應(yīng)該發(fā)生泄漏。采用制備Al-12Si/mFAHTSCPCM的方式制備Al-12Si/FAHTSCPCM進(jìn)行對(duì)比，圖4為Al-12Si合金按不同比例(Al-12Si合金：50%、55%、55%、60%)與FA制備的HTSSPCM。當(dāng)Al-12Si合金占比50%時(shí)，HTSSPCM成型完好，當(dāng)Al-12Si合金占比55%時(shí)，HTSSPCM底部已出現(xiàn)合金泄漏的情況。繼續(xù)增大Al-12Si合金的占比，則出現(xiàn)合金嚴(yán)重泄漏，底部與坩堝粘連，無(wú)法取出。圖5為Al-12Si合金按不同比例(Al-12Si合金：45%、50%、55%、60%、65%、70%)與mFA制備的HTSSPCM。當(dāng)Al-12Si合金占比45%～65%時(shí)，HTSSPCM具有完整成型的外觀，且沒(méi)有任何Al-12Si合金發(fā)生泄漏的跡象，當(dāng)Al-12Si合金占比70%時(shí)，HTSSPCM中Al-12Si合金聚集在底部的中央，出現(xiàn)泄漏的情況。這是由于Al-12Si合金含量過(guò)多，在固-液相變的過(guò)程中，相變介質(zhì)的重力大于粉煤灰陶瓷骨架提供的毛細(xì)力和表面張力，熔融態(tài)的相變介質(zhì)向下發(fā)生聚沉導(dǎo)致。因此，由FA、mFA分別與不同含量(Al-12Si合金質(zhì)量分?jǐn)?shù))相變介質(zhì)的高溫?zé)Y(jié)實(shí)驗(yàn)表明，作為基體材料，相比于FA，mFA可以有效地提升其負(fù)載能力，對(duì)Al-12Si合金的最大負(fù)載量為65%。圖4

不同Al-12Si合金比例的Al-12Si/FAHTSCPCM

照片圖5

不同Al-12Si合金比例的Al-12Si/mFAHTSCPCM照片2.3FA、mFA、Al-12Si合金和Al-12Si/mFAHTSCPCM(Al-12Si合金：65%)的結(jié)構(gòu)分析為了探究FA改性前后孔隙結(jié)構(gòu)的變化，測(cè)量了FA、mFA的氮?dú)馕?解吸等溫線、BET比表面積和孔徑分布。圖6(a)為FA、mFA的氮?dú)馕?解吸等溫線，77K氮平衡吸附等溫曲線表明，經(jīng)過(guò)堿改性后，mFA具有Ⅳ型等溫線特性，在相對(duì)壓力0.4時(shí)，吸附質(zhì)發(fā)生毛細(xì)凝聚，導(dǎo)致等溫吸附曲線急劇上升。此時(shí)，解吸等溫線與吸附等溫線不再重合而是位于吸附等溫線之上，從而產(chǎn)生了吸附滯后現(xiàn)象。由滯后環(huán)的類(lèi)型表明mFA中的孔結(jié)構(gòu)主要為圓柱形孔，且屬于介孔材料。圖6(b)為FA、mFA的孔徑分布曲線，在FA中，總的孔徑體積較低，且孔徑主要集中在3～5nm，在堿改性之后，mFA的孔徑顯著增加，孔徑集中在3～10nm。測(cè)得FA、mFA的多孔特性如表2所示，F(xiàn)A的比表面積為3.82cm2/g，總孔體積為0.008cm3/(g·nm)，經(jīng)堿改性之后，mFA的比表面積增大到40.86cm2/g，總孔體積增大到0.085cm3/(g·nm)。表明FA在改性之后，表面變得粗糙多孔，可以擁有更多的吸附位點(diǎn)和容納相變介質(zhì)的空間。因此，mFA可以具有比FA更大的負(fù)載能力，該結(jié)果與SEM觀察的結(jié)果一致。圖6

(a)

氮?dú)馕?解吸等溫線；(b)FA和mFA的孔隙分布情況表2

FA和mFA的多孔特征利用XRD對(duì)Al-12Si/mFAHTSCPCM制備過(guò)程中的結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行檢測(cè)和分析。FA、mFA的XRD光譜如圖7(a)所示，對(duì)于FA，2θ在16.4°、26°、33.2°、35.2°、40.8°等處出現(xiàn)的衍射峰均屬于莫來(lái)石的特征衍射峰，2θ在20.8°、26.6°、50.0°的衍射峰屬于石英的吸收峰。出現(xiàn)在15°～30°之間的相對(duì)較寬的衍射峰表明FA中存在大量其他非晶態(tài)二氧化硅玻璃體，說(shuō)明FA主要由莫來(lái)石、石英和大量非晶態(tài)二氧化硅玻璃體組成。通過(guò)與FA的衍射圖對(duì)比，上述特征峰也出現(xiàn)在mFA的衍射圖中，除此之外，2θ在7.3°、10.4°、12.6°、21.8°、24.1°、27.2°的衍射峰屬于沸石的特征衍射峰，表明FA改性后的化學(xué)組成新增了沸石相，并且mFA中出現(xiàn)在15°～30°間的寬衍射峰在改性后有明顯的降低，表明NaOH改性FA的主要作用是FA表面的SiO2能與堿發(fā)生化學(xué)解離，破壞粉煤灰的表面，增大比表面積。該結(jié)果與EDS能譜圖和表1得到的結(jié)果非常吻合。Al-12Si、Al-12Si/mFAHTSCPCM的XRD光譜如圖7(b)所示，對(duì)于Al-12Si合金粉，2θ在38.5°、44.8°、65.1°、78.3°、82.5°等處出現(xiàn)的衍射峰均屬于鋁的特征衍射峰，2θ在28.4°、47.3°、56.1°等處出現(xiàn)的衍射峰均屬硅的特征衍射峰，Al、Si的衍射峰單獨(dú)出現(xiàn)。材料經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后，Al的衍射峰強(qiáng)度明顯降低，Si的衍射峰強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，且2θ在25.6°、35.1°、37.7°、52.4°、57.5°等處出現(xiàn)了Al2O3的衍射峰。這是由于在燒結(jié)時(shí)，Al-12Si合金粉中的Al有一部分與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)(4Al+3O2=2Al2O3)，生成了Al2O3，該反應(yīng)也會(huì)造成Si的析出，析出量遠(yuǎn)少于生成的Al2O3，但是XRD圖譜表明Si和Al2O3的衍射峰強(qiáng)度相差并不大，同時(shí)大量存在，說(shuō)明并不僅僅存在氧化反應(yīng)，Al還與SiO2在高溫條件下，發(fā)生了原位反應(yīng)(4Al+3SiO2=2Al2O3+3Si)，也存在Si的析出。因此，作為相變介質(zhì)的Al-12Si合金粉存在一定量的損失，這也是導(dǎo)致相變潛熱降低的主要原因，并且在一定程度上也會(huì)引起坯體增重，增重量及Al2O3和Si的量會(huì)隨著氧化反應(yīng)的進(jìn)行而增加。圖7

(a)FA、mFA和

(b)Al-12Si、Al-12Si/mFAHTSCPCM的XRD

圖2.4Al-12Si/mFAHTSCPCM(Al-12Si合金：65%)的熱物理性質(zhì)分析熱物理性質(zhì)以及盡可能高的相變潛熱和增強(qiáng)的導(dǎo)熱率，對(duì)于評(píng)估HTSCPCM至關(guān)重要。表3為Al-12Si合金和Al-12Si合金粉的相變溫度和相變潛熱，塊狀A(yù)l-12Si合金的相變溫度和相變潛熱分別為577℃和499.2J/g，粉末狀A(yù)l-12Si合金的相變溫度和相變潛熱分別為580℃和391.7J/g。這是由于金屬粉末比表面積大，與空氣的接觸面積更大，在儲(chǔ)存的時(shí)候就容易發(fā)生一定程度的氧化。因此，Al-12Si合金粉的相變潛熱低于塊狀A(yù)l-12Si合金，但是Al-12Si合金相較于單質(zhì)鋁及其他合金而言，結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，有著較強(qiáng)的抗氧化能力，所以Al-12Si合金粉依舊有著較高的相變潛熱。采用DSC熱分析來(lái)評(píng)估Al-12Si合金粉和65%Al-12Si合金粉的Al-12Si/mFAHTSCPCM的相變溫度和相變潛熱如圖8所示，相變潛熱可通過(guò)DSC曲線的熔融積分面積得出。與Al-12Si合金粉相比，高溫?zé)Y(jié)后的Al-12Si/mFAHTSCPCM相變潛熱明顯降低，相變潛熱為97.76J/g，相變溫度峰值為578.22℃。從理論上講，HTSCPCM的相變潛熱取決于相變介質(zhì)的填充量，因?yàn)槠渌麩o(wú)機(jī)氧化物在上述溫度內(nèi)并不會(huì)發(fā)生相的轉(zhuǎn)變。因此，可以通過(guò)Al-12Si合金粉的相變潛熱乘以填充率來(lái)計(jì)算HTSCPCM的理論相變潛熱。理論相變潛熱可以達(dá)到254.6J/g，但在實(shí)際燒結(jié)過(guò)程中，有一部分Al-12Si合金粉參與反應(yīng)造成了一定損失，實(shí)際相變潛熱減少歸因于以下原因：Al-12Si合金粉中的Al在高溫?zé)Y(jié)的過(guò)程中發(fā)生氧化，并且同時(shí)與SiO2也發(fā)生了反應(yīng)，最終生成在此溫度內(nèi)不具備相變潛熱的Al2O3。因此，在所制備的Al-12Si/mFAHTSCPCM中，合金粉保留率為38.4%。表3

Al-12Si合金、Al-12Si合金粉的相變溫度及相變潛熱圖8

Al-12Si和Al-12Si/mFAHTSCPCM的DSC曲線

作為相變材料，導(dǎo)熱系數(shù)決定了HTSCPCM的儲(chǔ)熱效率。樣品的熱導(dǎo)率采用瞬態(tài)平面熱源法測(cè)得，如表4所示，mFA、Al-12Si和Al-12Si/mFAHTSCPCM的熱導(dǎo)率分別為0.21W/(m·K)、101.41W/(m·K)和15.10W/(m·K)。Al-12Si/mFAHTSCPCM的實(shí)際熱導(dǎo)率明顯低于理論值，這是由于改性粉煤灰屬于介孔材料，其孔隙形成三維連通網(wǎng)絡(luò)。熔融相變介質(zhì)浸入多孔基體后，也在孔隙中形成互聯(lián)結(jié)構(gòu)，但也并非完全連通，相變介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)也存在隔離區(qū)域，因此該復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。同樣，孔隙度對(duì)熱導(dǎo)率有著較大的影響，當(dāng)Al-12Si/mFAHTSCPCM中存在部分未被相變介質(zhì)填滿的孔隙時(shí)，熱傳導(dǎo)的通道將被阻礙，并且也同時(shí)存在有氣體填充孔隙的情況，限制了熱量的傳導(dǎo)和流動(dòng)。因此，Al-12Si/mFAHTSCPCM的熱導(dǎo)率較Al-12Si合金粉有明顯降低，但是熱導(dǎo)率仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于以熔鹽為相變介質(zhì)所制備的其他HTSSPCM，傳熱效率提升明顯。表4

mFA、Al-12Si和Al-12Si/mFAHTSCPCM的熱導(dǎo)率2.5Al-12Si/mFAHTSCPCM(Al-12Si合金：65%)的熱穩(wěn)定性分析理想的HTSCPCM也應(yīng)具有盡可能高的熱能容量，并且在冷熱循環(huán)的熱能存儲(chǔ)/釋放應(yīng)用中表現(xiàn)出出色的熱穩(wěn)定性。對(duì)Al-12Si/mFAHTSCPCM進(jìn)行冷熱循環(huán)試驗(yàn)，在100次冷熱循環(huán)后的樣品外形依舊完整，無(wú)開(kāi)裂無(wú)泄漏發(fā)生。對(duì)Al-12Si/mFAHTSCPCM進(jìn)行一系列熱穩(wěn)定性測(cè)試，結(jié)果如圖9所示。圖9(a)為100次冷熱循環(huán)前后樣品的DSC曲線，樣品中Al-12Si合金在冷熱循環(huán)100次前后的起始熔融吸熱溫度分別為571.51℃和571.23℃，吸熱峰值溫度分別為578.22℃和577.78℃，循環(huán)前后相變潛熱由97.76J/g下降到91.32J/g，相變潛熱損失6.6%。同時(shí)測(cè)得樣品冷熱循環(huán)100次后的熱導(dǎo)率為14.29W/(m·K)，相比于循環(huán)前的15.10W/(m·K)，熱導(dǎo)率降低5.4%。這是由于在進(jìn)行熱循環(huán)試驗(yàn)的過(guò)程中，Al-12Si合金仍然在發(fā)生緩慢的氧化生成Al2O3，說(shuō)明在陶瓷基體的內(nèi)部依舊存在著連通的貫穿微孔，無(wú)法將Al-12Si合金完全封閉在介孔中而阻止其進(jìn)一步氧化，但是Al-12Si合金有著較強(qiáng)的抗氧化能力，并且在Al-12Si/mFAHTSCPCM表面和未封閉的孔隙中，隨著冷熱循環(huán)次數(shù)的增加，被氧化后的合金表面有致密的Al2O3生成，也對(duì)防止內(nèi)部的Al-12Si合金進(jìn)