石墨烯改性十八烷/硅藻土复合相变材料开发高性能储热混凝土的研究报告

作者及机构
本研究由哈尔滨工业大学土木工程学院的任淼（Miao Ren）、高小建（Xiaojian Gao, 通讯作者）、田伟辰（Weichen Tian，香港理工大学）和陈树培（Shupei Chen）合作完成，发表于《Journal of Energy Storage》2025年第115卷。

学术背景

研究领域与动机
相变储热技术（Phase Change Heat Storage, PCM）是缓解能源短缺与环境污染的关键技术之一，尤其在建筑节能领域潜力巨大。传统储热混凝土（Thermal Energy Storage Concrete, TESC）存在相变材料（PCM）泄漏、导热系数低、力学性能差等问题，限制其广泛应用。本研究旨在通过石墨烯纳米片（Graphene Nanoplatelets, GNPs）封装十八烷/硅藻土复合相变材料（OC/D），结合超高性能混凝土（UHPC）基体，开发兼具高储热能力与力学性能的新型储热混凝土（HP-TESC）。

科学问题
1. 泄漏问题：传统多孔载体（如硅藻土）虽能吸附PCM，但长期热循环后易泄漏。
2. 导热性不足：有机PCM导热系数低（如十八烷仅0.22 W/(m·K)），影响储/放热效率。
3. 力学性能下降：PCM加入导致混凝土强度显著降低（文献报道降幅达48.7%~85%）。

研究目标
- 开发石墨烯包覆的OC/D复合相变材料（GNP-OC/D），提升导热性与形状稳定性。
- 以UHPC为基体制备HP-TESC，平衡储热性能与力学强度。

研究流程与方法

1. GNP-OC/D的制备与表征

步骤：
1. 硅藻土预处理：10%稀硫酸酸化2小时，去除表面氧化物，增强孔隙吸附能力。
2. 真空浸渍：在0.09 MPa真空下将液态十八烷注入硅藻土孔隙，耗时50分钟。
3. 石墨烯包覆：喷涂1.5 wt% GNPs于OC/D表面，60℃干燥20分钟形成封装层。

表征实验：
- 热导率测试：采用瞬态热线法（TC3000E仪器），GNP-OC/D导热系数达0.68 W/(m·K)，较OC/D（0.31 W/(m·K)）提升120%。
- 泄漏稳定性：通过扩散-渗出圆环法评估，GNP-OC/D泄漏评级为“基本稳定”（φ=28%），显著优于未包覆OC/D（φ=160%）。
- 热性能分析：差示扫描量热仪（DSC）显示GNP-OC/D熔融焓为55.68 J/g，相变温度25.61℃。

2. HP-TESC的制备与性能测试

配合比设计：
以UHPC为基体，用GNP-OC/D替代25%~75%粗砂（体积比），分为HP-TESC-25g/50g/75g三组。

关键实验：
- 力学性能：28天抗压强度达73.1 MPa（HP-TESC-75g），抗折强度12.5 MPa，虽较纯UHPC下降44.5%，但远高于文献报道的PCM混凝土（通常<30 MPa）。
- 热性能模拟：储热房间测试显示，HP-TESC-75g可使室内最高温度降低1.7℃，有效抑制温度波动。
- 微观结构：扫描电镜（SEM）证实GNP-OC/D在UHPC中分散均匀，石墨烯层（5–30 μm）有效隔离PCM与水泥基体。

主要结果与逻辑链条

1. 石墨烯包覆效果：GNPs通过层间毛细作用与表面张力物理吸附PCM，形成二次封装，解决泄漏问题（图9-10）。
   
2. 导热增强机制：GNPs的高导热性（3000 W/(m·K)）及纳米链结构促进声子传递，使GNP-OC/D热导率提升至0.68 W/(m·K)。
   
3. UHPC的协同作用：钢纤维增强与致密基体弥补PCM的强度损失，HP-TESC-75g仍满足结构混凝土强度要求（GB 175-2007）。
   

结论与价值

科学价值：
- 提出GNPs作为高导热封装层的创新方案，突破传统无机封装壳（如环氧树脂）热阻大的限制。
- 揭示纳米限域效应对PCM结晶度的影响（GNP-OC/D结晶度88.5%，低于纯十八烷92.2%）。

应用价值：
- HP-TESC兼具高储热密度（8.5 J/g）与结构强度，适用于建筑外墙、太阳能集热系统等场景。
- 制备工艺简单，GNPs用量仅1.5 wt%，具备工业化潜力。

研究亮点

1. 创新材料设计：首次将GNPs用于PCM封装，兼顾防漏与导热双重功能。
   
2. 性能平衡：HP-TESC在75%高PCM掺量下仍保持73.1 MPa抗压强度，为文献最高记录之一。
   
3. 多尺度表征：结合DSC、SEM、热导率测试等，系统解析材料-性能关系。
   

未来方向：需进一步研究长期冷热循环对混凝土耐久性的影响，并扩大实际建筑模型验证。

（报告字数：约2000字）