基于多孔载体的近冻结点三元复合相变材料热性能及封装稳定性研究

《Journal of Energy Storage》：Thermal performance and encapsulation stability of near-freezing ternary composite phase change materials based on porous carriers

　　

在寒冷地区与地下工程中，近冻结及亚零环境温度会导致显著的热能损耗与运行效率下降，因此对高效低温热能存储技术存在迫切需求。研究人员开发了一种具备近冻结温控能力的复合相变材料（Phase Change Material, PCM）。基于低共晶理论预测与热分析，确定了正十四烷（n?tetradecane, TD）、癸酸（capric acid, CA）与月桂酸（lauric acid, LA）的最佳质量比为0.702:0.198:0.1。该体系熔融与凝固温度分别为2.65?°C与0.32?°C，过冷度为2.33?°C，熔融与凝固潜热分别为186.54?J·g?1与189.46?J·g?1。随后，研究人员通过真空吸附法将上述三元相变材料分别封装于三种载体中以比较封装性能与形状稳定性。结果表明，椰壳炭（B?104）可实现高达56%的封装率，泄漏量极低，储能效率超过50%，并将过冷度进一步降低至1.4?°C，其导热系数为0.5885?W/m·K。综上，TD?CA?LA三元相变材料与B?104的结合兼具近冻结相变温度、高潜热及优异封装稳定性，可为低温储能应用提供可行的设计策略。

本研究针对寒冷地区与地下工程在接近冻结温度环境下的热能调控需求，聚焦于低温相变储能材料的组分设计与封装稳定性优化。当前，传统有机相变材料虽具备良好相变可逆性，但存在相变温区窄、导热系数低及形状稳定性差等问题；无机冰水体系虽潜热较高，却易发生相分离与显著过冷。尤其在寒区与地下结构中，土壤及工程材料的初始冻结温度接近0?°C，亟需能够在近冻结区间稳定储放热、且相变温度可调的低维相变材料。为此，研究人员依托东北林业大学土木与交通学院，构建了以正十四烷（TD）、癸酸（CA）与月桂酸（LA）组成的三元复合相变体系，并结合多孔载体封装技术，旨在实现近冻结点精准控温与长效循环稳定性。该研究获得中国四川省科技计划、国家重点研发计划及黑龙江省博士后基金资助，成果发表于《Journal of Energy Storage》。

在开展研究过程中，研究人员主要采用低共晶理论预测、差示扫描量热分析、真空吸附封装及热循环稳定性评价等关键技术方法，未依赖特定生物样本队列，而是基于商用高纯度化学原料与生物质衍生多孔碳材料进行实验验证。

Eutectic theory

研究人员基于Schr?der–van Laar方程，从热力学相平衡角度对TD–CA二元体系的共晶行为进行理论预测，结合步冷曲线与差示扫描量热（Differential Scanning Calorimetry, DSC）测试，最终确定TD–CA–LA三元体系的最佳质量比为0.702:0.198:0.1。该配比下，体系熔融温度为2.65?°C，凝固温度为0.32?°C，过冷度为2.33?°C，熔融与凝固潜热分别达到186.54?J·g^?1与189.46?J·g^?1，满足近冻结温控需求。

Encapsulation performance

研究人员选用秸秆炭（B?101）、椰壳炭（B?104）与活性氧化铝微球（Al₂O₃）三种多孔载体，通过真空吸附法制备定形复合相变材料。结果显示，B?104载体封装率达56%，泄漏量最低，储能效率超过50%，并将体系过冷度进一步降至1.4?°C，导热系数提升至0.5885?W/m·K，表现出最优的形状稳定性与热响应性能。

Thermal reliability

经多次热循环测试，TD–CA–LA/B?104复合材料未出现明显相分离或性能衰减，表明其在长期运行中具备良好的热可靠性，适用于寒区与地下工程的低温储能场景。

在讨论部分，研究人员指出，通过多元脂肪酸与烷烃的协同作用，可在不牺牲潜热的前提下有效拓宽相变温区并抑制过冷现象。B?104的多级孔结构通过毛细管力与限域效应显著提升了材料形状稳定性，避免了传统有机相变材料的液相泄漏问题。该研究成果不仅为近冻结点温控提供了可调控的材料平台，也为生物质多孔碳在高性能储能领域的应用拓展了路径。

结论翻译

本研究面向寒冷地区与地下工程的近冻结温控需求，制备了TD–CA–LA三元相变体系并结合多孔载体封装以提升形状稳定性与储能性能。基于Schr?der–van Laar低共晶理论、步冷曲线及DSC分析，确定了最佳质量比为0.702:0.198:0.1。该体系熔融与凝固温度分别为2.65?°C与0.32?°C，过冷度2.33?°C，潜热分别为186.54?J·g^?1与189.46?J·g^?1。采用椰壳炭（B?104）封装后，封装率达56%，泄漏极低，储能效率超过50%，过冷度降至1.4?°C，导热系数为0.5885?W/m·K。该复合材料在近冻结温度区间兼具高潜热与优异封装稳定性，为低温热能存储提供了一种可行的材料解决方案。