学术研究报告:石墨粉增强相变材料-空心钢球混凝土在地下能源结构中的应用评估
一、研究团队与发表信息
本研究由Pengju Chen、Chenglong Wang(通讯作者)、Abdelmalek Bouazza、Yachen Guo、Gangqiang Kong和Xuanming Ding合作完成,团队成员来自重庆大学土木工程学院(中国)、莫纳什大学土木工程系(澳大利亚)及河海大学土木与交通工程学院(中国)。研究成果发表于《Journal of Energy Storage》2025年第120卷,文章编号116489。
二、学术背景与研究目标
研究领域聚焦于相变材料(Phase Change Materials, PCMs)在建筑节能中的应用。地下能源结构(如地源热泵系统)长期运行会导致热量累积,影响地质环境与系统效率。传统混凝土导热性能差,而PCMs虽能通过相变潜热调节温度,但其低导热性限制了热传递效率。为此,本研究提出一种新型复合相变储能混凝土:将癸酸-肉豆蔻醇(Capric Acid-Myristyl Alcohol, CA-MA)封装于空心钢球(Hollow Steel Balls, HSB)中形成PCM-HSB骨料,并添加石墨粉(Graphite Powder, GP)提升导热性。研究目标包括:(1)优化PCM-HSB与GP的配比;(2)评估材料的热力学性能与机械性能;(3)为地下能源结构提供高效储能解决方案。
三、研究流程与方法
1. 相变材料制备与封装
- CA-MA二元共晶制备:通过Schroder方程计算摩尔比(CA:MA = 3:2),熔融混合后实测相变温度为19.5°C,与地下土壤温度(9.6–25.8°C)匹配。
- PCM-HSB封装:将CA-MA吸附至HSB(内径18 mm,外径19 mm)中,密封后测试吸附率(50%)和泄漏率(0.09%),验证封装稳定性。
混凝土配比设计
性能测试
数据分析
四、主要研究结果
1. 热性能提升
- PCM-HSB显著提高比热容(61.9%),但导热系数降低20.6%;GP掺入后形成连续导热通道,5%掺量时导热系数恢复并提升60.4%。
- 热膨胀系数因HSB(1.2×10⁻⁵/°C)高于普通骨料(5.0×10⁻⁶/°C)而增加29.8%,但GP可部分抑制膨胀(降低8.2%)。
机械性能权衡
相变材料稳定性
五、结论与价值
1. 科学价值
- 提出GP/PCM-HSB复合体系,解决了PCM导热性差与泄漏问题,为相变混凝土设计提供新思路。
- 揭示了GP掺量与导热性能的非线性关系(5%为临界值),为材料优化提供理论依据。
六、研究亮点
1. 创新材料设计:首次将CA-MA封装于HSB中,结合GP增强导热性,实现“储能-导热”协同优化。
2. 多尺度性能验证:从微观(PCM吸附率)到宏观(混凝土强度、导热性)全面评估材料性能。
3. 工程导向结论:明确配比阈值(GP 5%),指导实际应用。
七、未来方向
建议进一步研究:(1)纤维增强以提升强度;(2)纳米材料改性;(3)长期耐久性(如酸碱环境、温度循环)。