建筑功能材料论文提纲

论文题目：多相微流控封装法制备相变功能材料研究

摘要：相变材料（PCM）通过物质相变时的吸热以及放热过程实现能量储存,具备潜热储能密度大、相变储能过程中材料温度变化小以及储能稳定等优势。相变材料封装处理能有效防止相变材料与外界环境反应,从而可提高其使用稳定性;相变材料微胶囊化与微纤维化封装能显著提高相变材料本身的传热面积进而增强导热性能;另外封装后的相变材料在存储、运输以及使用方面相比非封装的相变材料而言都更加便利。总而言之,封装后的相变材料在节能建筑、热调节纺织品、太阳能利用以及余热回收等领域均有着广泛的应用价值。然而传统的相变材料微胶囊化和微纤维化方法制备出的成品存在尺寸不可控、形状不规则、单分散性差以及包覆低的缺点,使得相变功能材料在实际生产应用中出现储能密度及稳定性降低的问题,同时也给相变功能材料综合性能的进一步提升带来了困难。为了解决上述问题,本文基于微流控技术可精确操控微通道内多相液体流动的独特优势构建多重乳液模板与层流液线模板,并在此基础之上实现相变材料的微胶囊化与微纤维化精细化封装;本文采用数值模拟与实验观测相结合的手段对微流控装置内多相流模板构建及相变功能材料的制备进行深入的研究:建立考虑相界面演化的多相微流控封装法制备相变功能材料模板的非稳态理论模型,数值研究不同流动状况及流体物性参数下流动聚焦式微流控装置内乳化过程流体动力学行为特性;重点设计并搭建多相微流控封装法制备相变功能材料可视化实验系统,制备相变微胶囊与相变微纤维样品并表征其形貌、热物性以及热调节能力。得到了以下主要研究结论:（1）基于VOF相界面追踪方法,构建了流动聚焦式微通道中乳化过程流体动力学行为特性的理论模型。数值研究了微通道中典型乳化模式的流型演化过程;分析了流体物性、流动状况对乳化过程及其重要参数的影响,为后续基于上述典型乳化模式制备相变功能材料提供了理论指导,研究结果表明:流动聚焦式微流控装置中流体流动受不同界面驱动力的影响而呈现出了两种典型的生成流型:滴式和喷式;通过改变外相流量可以有效实现滴式向喷式的转变,当外相流量超过一定值,微通道内可连续生成稳定层流液线;通过改变中间相流量可实现双乳液壁厚以及内核数的调节;加大中间相流量有望形成内部均匀分布内液滴的喷射流;增加黏度比μmo能实现生成流型从滴式缓慢过渡至喷式,中间相黏度较低时的滴式流型的双乳液生成速度要远快于黏度较大时的喷式流型;在黏度比μmo=1附近,装置中的流型演化以及双乳液尺寸对中间相黏度的改变不敏感;随界面张力比σoi减小,内相射流不易形成,装置通道内喷射段不断回缩;调节界面张力值对改变生成双乳液的结构参数并没有很明显的效果。（2）研制了毛细管匹配嵌套的三维微流控装置,设计并搭建了多相微流控封装法制备相变微胶囊的可视化实验系统;基于对微流控装置通道内生成的多重乳液模板精准调控制备出了内部芯材为RT25,外部壳材为海藻酸钙的相变微胶囊,表征了相变微胶囊的核-壳微观结构,并重点讨论了制备过程中各相的调控规律、相变微胶囊重要热物性及其热调节性能。研究结果表明:基于微流控装置内构建的多重乳液模板制备的相变微胶囊具有良好的单分散性,其轮廓尺寸的变异系数均小于5%;相变微胶囊的外观尺寸及内相芯材含量可通过改变各相流量实现精准调节,而改变内相流速对上述二者的影响会比改变外相流速更有效;通过相变潜热特性以及热稳定性测试分析表明制备的相变微胶囊具有较大的潜热值以及良好的热稳定性;在相变微胶囊热调节性能表征实验中发现随着石膏板内相变微胶囊率填充率FR值的增加石膏模型屋表面与内部温度的改变速度均下降明显,表明制备的相变微胶囊具备良好的温度调节能力。此外,通过添加多层石墨烯来增强RT25的导热性能,热物性测试结果表明多层石墨烯的添加能在保证相变微胶囊储能密度的同时有效提升其导热性能。（3）研制了毛细管匹配嵌套的三维微流控装置,设计并搭建了多相微流控封装法制备相变微纤维的可视化实验系统;基于对微流控装置通道内生成的层流液线模板精准调控制备出了内部芯材为RT25,外部壳材为PVB的相变微纤维,表征了相变微纤维的芯-壳结构,重点讨论了制备过程中内相的调控规律、相变微纤维重要热物性以及热调节性能。实验研究表明:利用多相微流控封装法可成功制备芯-壳结构完整且壳层致密的相变微纤维。微流控装置中层流液线模板的生成过程稳定且连续,从而可以保证壳层固化后得到的相变微纤维外观呈现均匀的圆柱形结构;通过调节内相流速能快速实现相变微纤维内部RT25含量的调节,随着内相流速的增加,相变微纤维芯材含量可达61.73%,相变潜热值为122.7J/g。热物性测试结果表明在环境温度低于120℃时,相变微纤维能表现出令人满意的热稳定性。此外,本文制备的相变微纤维在热调节性能表征实验中表现出了减缓被测对象表面及内部环境温度变化的优势,展现出了较为满意的温度调节效果,并且在使用过程中也具备良好的稳定性。本文相关研究成果不仅可为封装型相变功能材料的精细化生产制造提供新思路,而且可为相变材料模板的微流控构建提供可靠的理论预测工具。

关键词：相变材料;微胶囊;微纤维;微流控

学科专业：流体机械及工程

摘要

Abstract

符号表

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 相变功能材料制备技术简介

1.2.1 传统相变功能材料制备技术简介

1.2.2 多相微流控封装法制备功能材料技术简介

1.3 多相微流控封装法制备功能材料技术的国内外研究现状

1.3.1 微流控封装制备功能材料模板的国内外研究现状

1.3.2 基于微流控封装模板制备功能材料的国内外研究现状

1.4 本文主要研究内容

第二章 流动聚焦式微通道中双乳液生成过程的数值模拟

2.1 数学建模

2.1.1 数学模型

2.1.2 控制方程

2.1.3 边界条件

2.1.4 数值方法

2.1.5 实验验证

2.2 典型流型

2.2.1 滴式

2.2.2 喷式

2.3 影响因素分析

2.3.1 外流体流量影响

2.3.2 中间流体流量影响

2.3.3 黏度比影响

2.3.4 界面张力比影响

2.4 本章小结

第三章 多相微流控封装法制备相变微胶囊研究

3.1 实验系统与实验方法

3.1.1 实验系统

3.1.2 实验仪器和试剂

3.1.3 实验方法

3.1.4 相变微胶囊样品的主要表征内容

3.2 实验结果与讨论

3.2.1 相变微胶囊形貌分析

3.2.2 各相工质流速对胶囊尺寸及PCM含量的调控规律

3.2.3 相变微胶囊热物性测试分析

3.2.4 多层石墨烯对相变微胶囊热性能影响分析

3.2.5 相变微胶囊热调节性能分析

3.3 本章小结

第四章 多相微流控封装法制备相变微纤维研究

4.1 实验系统与实验方法

4.1.1 实验系统

4.1.2 实验仪器和试剂

4.1.3 实验方法

4.1.4 相变微纤维样品的主要测试表征内容

4.2 实验结果与讨论

4.2.1 相变微纤维形貌分析

4.2.2 相变微纤维热物性测试分析

4.2.3 相变微纤维热调节性能分析

4.3 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 创新点

5.3 展望

参考文献

致谢