先进化工材料关键技术丛书 储热材料及应用 高性能相变储热材料制备 热物性调控及相关应用技术 化工能源及材料等专业应用技术

储能技术通过能量的存储与释放，在能量生产与使用端构筑一个缓冲与调控的平台，将能量进行合理分配，从而有效解决能源供需之间的矛盾，提高能量利用效率。
相变储热是通过储热材料的相态变化过程进行热量的储存，具有储热过程温度恒定、储热密度较大、储放热过程易于控制等优点。相变储热技术是当前具有实际价值的储热技术。
本书分十二章，重点围绕相变储热材料的制备、储热器及储热系统的设计开发进行全面的介绍和论述，为读者勾勒出储热材料与应用的整体面貌，以启发研究思路。

《储热材料及应用》是“先进化工材料关键技术丛书”的一个分册。
储热技术是指以储热材料为介质将热能储存并在适当时候予以释放和利用的技术，在太阳能热利用、工业与建筑节能、电子器件及动力电池热管理以及军事和民用领域具有广泛的应用前景。储热材料作为其关键介质，是储热技术应用的核心。本书以相变储热材料为重点，介绍了高性能相变储热材料的制备、热物性调控及其相关应用技术。共分为储热材料制备和储热材料应用上下两篇共12章。内容包括：绪论、有机/无机定形复合相变材料、无机/无机定形复合相变材料、有机/聚合物定形复合相变材料、复合相变材料的导热系数模型、相变微胶囊与相变料浆、相变材料乳液、储热材料在建筑节能领域的应用、储热材料在动力电池热管理领域的应用、储热材料在电子散热及热防护系统的应用、储热材料在生物医疗领域中的应用、储热器在热泵及太阳能领域的应用。
《储热材料及应用》可供化工、能源及材料等专业领域的科研与工程技术人员阅读，也可供高等学校相关专业师生参考。

张正国，二级教授，博士生导师。华南理工大学化学与化工学院院长，中国化工学会储能专业委员会副主任委员，中国化工学会化工过程强化专业委员会委员，广东省热能高效储存与利用工程技术研究中心主任，教育部高等学校化工类专业教学指导委员会委员（2018—2022）。Solar Energy Materials and Solar Cells期刊副主编，《高校化工学报》《化工进展》《储能科学与技术》等期刊编委。1990年6月，获四川大学化学工程专业学士学位，1993年6月和1996年6月，分别获华南理工大学化学工程专业硕士和博士学位。2002年10月至2003年9月，日本九州大学访问学者。2015年1月，日本北海道大学访问教授。主要从事传热强化与相变储热技术研究。作为项目负责人先后主持科技部 “863计划”项目、国家自然科学基金（联合基金）重点项目和面上项目、广东省自然科学基金团队项目以及军工项目等。在能源、化工领域主流国际学术期刊发表SCI收录论文170多篇，其中12篇论文入选ESI高被引论文，H指数54、引用次数10029（Google 学术搜索）。强化传热与相变储热技术的研究成果在石化、化工、制冷等过程工业及军事装备中实施应用，获广东省、教育部及行业协会科技奖励一、二等奖5项。

方晓明，华南理工大学化学与化工学院研究员，博士生导师。1990年7月毕业于成都科技大学化工系有机（精细）化工专业，获工学学士学位；1995年至今一直在华南理工大学工作，于2002年6月获得华南理工大学化学工程专业博士学位。2003年受聘于日本科学技术振兴事业团，在日本产业技术综合研究所九州中心任博士后研究员。2009年4月到2010年4月在美国罗格斯大学（Rutgers University）化学与生物化学系作访问学者。研究领域涉及太阳能光催化材料、光热转化材料以及复合相变储热材料等。先后主持五项国家自然科学基金项目、科技部重点研发项目课题以及两项广东省科技计划项目。已在国内外主流学术期刊上发表学术论文逾150篇，被引用超7000次。

凌子夜，华南理工大学化学与化工学院副研究员。2011年获中山大学化学工程与工艺学士学位，2016年获华南理工大学化学工程博士学位。2018年在华南理工大学工程热物理博士后流动站出站后留校任教，2019年破格晋升为副研究员。研究方向为高效储热材料的制备传热性能调控，针对相变材料高导热化、储热系统的储热-传热耦合规律以及复杂环境下热管理系统设计方法开展系统研究。主持了国家自然科学基金青年基金、博士后基金特别资助及面上项目，科技部重点研发项目子课题等科研项目。以第一/通讯作者在能源、化工领域主流国际学术期刊发表SCI收录论文20余篇，其中3篇入选ESI高被引论文。获Applied Energy期刊Highly Cited Paper奖，华南理工大学优秀博士学位论文奖。担任Frontier in Energy Research客座编辑。

第一章 绪论 001
第一节 储热材料的性能要求 003
第二节 显热储热技术与材料 004
一、显热储热原理 004
二、显热储热材料及其应用 004
三、显热储热技术的优缺点 008
第三节 相变储热技术与材料 008
一、相变储热原理 008
二、相变材料的关键物性参数 010
三、相变材料的种类及其优缺点 011
四、相变储热技术的优势及其应用领域 021
第四节 化学反应储热技术与材料 022
一、化学反应储热原理 022
二、化学反应储热材料 023
第五节 储热技术对比及相变储热材料发展趋势 025
一、三种储热技术对比 025
二、相变储热材料发展趋势 026
参考文献 027

上篇 储热材料制备
第二章 有机/无机定形复合相变材料 031
第一节 定形复合相变材料的制备方法概述 032
第二节 二氧化硅基定形复合相变材料 033
一、RT28/气相二氧化硅复合相变材料 033
二、蓄冷用十二烷/疏水型气相二氧化硅复合相变材料 035
三、癸酸-棕榈酸-硬脂酸三元共晶混合物/纳米二氧化硅复合相变材料 037
第三节 膨润土基定形复合相变材料 037
第四节 膨胀石墨基定形复合相变材料 039
一、石蜡/膨胀石墨复合相变材料 039
二、癸二酸/膨胀石墨复合相变材料 041
三、甘露醇/膨胀石墨复合相变材料 042
四、导热系数增强型有机/膨胀石墨复合相变材料 043
参考文献 046

第三章 无机/无机定形复合相变材料 049
第一节 水合无机盐的定形复合相变材料 050
一、水合无机盐/改性膨胀石墨定形复合相变材料 050
二、水合无机盐/膨胀珍珠岩定形复合相变材料 056
三、光固化聚合物包覆的水合无机盐定形复合相变材料 060
四、胶黏剂封装的水合无机盐/氮化碳定形复合相变材料 063
第二节 熔盐的定形复合相变材料 067
一、LiNO3-KCl/膨胀石墨复合相变材料及热物性和腐蚀性 067
二、新工艺制备膨胀率低且均匀性好的熔盐/膨胀石墨复合相变块体材料 071
三、高导热系数MgCl2-KCl/膨胀石墨/石墨纸复合相变块体材料 075
第三节 金属合金的定形复合相变材料 078
一、金属合金的定形复合相变材料概述 079
二、低熔点金属/膨胀石墨定形复合相变材料 080
参考文献 087

第四章 有机/聚合物定形复合相变材料 089
第一节 有机/聚合物定形复合相变材料概述 090
第二节 氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物基复合相变材料 092
一、石蜡/SEBS复合相变块 092
二、温致变色OP10E/SEBS复合相变油凝胶 095
第三节 中空纤维基复合相变材料 100
参考文献 103

第五章 复合相变材料的导热系数模型 105
第一节 分形计算模型 106
一、分形模型基本参数 107
二、A型分形结构单元 110
三、B型分形结构单元 115
四、分形单元的特征参数对预测值的影响 118
五、分形单元的构造形式对预测值的影响 119
六、分形模型可靠性验证 120
第二节 高度简洁的各向同性双参数模型 122
一、传统多组分材料导热系数模型 122
二、双参数各向同性导热系数模型 123
第三节 基于控制热阻的各向异性模型 126
参考文献 130

第六章 相变微胶囊与相变料浆 133
第一节 相变微胶囊的制备方法 134
一、原位聚合法 135
二、界面聚合法 135
三、复凝聚法 136
四、溶胶-凝胶法 137
第二节 纳米石墨改性聚合物壁相变微胶囊及其料浆 138
一、相变微胶囊形貌与热物性 139
二、离子液体基相变料浆的热物性 140
三、离子液体基相变料浆的集热性能 141
第三节 氧化石墨烯修饰纤维素壁相变微胶囊及其料浆 144
一、纤维素自组装法合成相变微胶囊的原理与工艺 144
二、氧化石墨烯改性纤维素壁相变微胶囊的形貌和热物性 145
三、相变料浆的热物性和光热转化性能 147
第四节 氧化石墨烯改性二氧化硅壳相变微胶囊及其料浆 150
一、二氧化硅壳相变微胶囊的制备原理及工艺 150
二、氧化石墨烯改性二氧化硅壳相变微胶囊的形貌与热物性 151
三、改性二氧化硅壳相变微胶囊料浆的热物性和应用性能 153
第五节 纳米相变胶囊的制备及其浆料 155
一、聚苯乙烯壁纳米相变胶囊的制备及其浆料 156
二、聚合物-无机双壳层纳米相变胶囊的制备及其料浆 158
参考文献 161

第七章 相变材料乳液 165
第一节 相变乳液用作传热流体存在问题分析 166
一、稳定性差 166
二、过冷度大 168
三、导热系数低 171
第二节 采用高分子型复合乳化剂制备稳定性好且过冷度低的相变乳液 172
一、制备工艺优化 172
二、相变乳液的稳定性、热物性和流变特性 176
三、相变乳液的泵送功率分析 180
第三节 兼具导热系数和光热转化性能提升的纳米石墨改性相变材料乳液 182
一、纳米石墨改性石蜡相变乳液的制备及其特性 182
二、纳米石墨改性石蜡相变乳液光热转化性能的优化 187
第四节 用于蓄冷的纳米石墨改性OP10E相变乳液 195
一、纳米石墨改性OP10E相变乳液的形貌与蓄冷特性 195
二、纳米石墨改性OP10E相变乳液的热可靠性和黏度 198
第五节 纳米相变乳液 199
一、纳米相变乳液的特性 199
二、超声乳化法制备OP28E纳米相变乳液 201
三、无过冷的纳米相变乳液 204
参考文献 207

下篇 储热材料应用
第八章 储热材料在建筑节能领域的应用 213
第一节 用于建筑围护结构实现被动式建筑节能 214
一、相变墙体及室内吊顶 215
二、相变隔热屋顶 221
三、热反射涂层与相变材料协同的新型建筑围护结构 226
第二节 与暖通设备相结合实现主动建筑节能 230
一、与新风系统结合的相变节能系统 230
二、与地板采暖相结合的相变储热系统 232
第三节 被动与主动相结合实现建筑节能 241
一、具有通风系统的相变储能建筑围护结构实验研究 241
二、具有通风腔的相变储能建筑围护结构模拟优化 244
参考文献 246

第九章 储热材料在动力电池热管理领域的应用 249
第一节 相变储热式电池冷却系统 251
一、膨胀石墨基复合相变材料应用于电池被动式冷却 251
二、强制空冷-膨胀石墨基复合相变材料耦合式电池冷却 253
三、强制液冷-相变材料耦合式电池冷却 257
四、相变乳液电池液体冷却 261
第二节 相变储热式电池保温加热系统 264
一、电池保温系统 264
二、被动式加热系统 267
三、主动式加热系统 271
第三节 相变传热模型及在电池热管理系统中的应用 274
一、有限元分析法 275
二、等效电路模型 284
参考文献 292

第十章 储热材料在电子散热及热防护系统的应用 295
第一节 有机相变材料散热系统 296
一、间歇式发热器件的相变散热结构 297
二、散热系统性能分析 301
第二节 金属相变材料散热系统 305
一、脉冲式发热器件的相变散热系统结构 306
二、散热系统性能分析 309
第三节 无机相变-热化学双功能储热材料的热防护系统 312
一、无机水合盐的阻燃性及其潜热-化学协同储热特性 313
二、水合盐相变材料在电池外短路条件下的防护作用 316
三、水合盐相变材料在电池热失控发生时的防护作用 318
第四节 黑匣子热化学储热式防护系统 322
一、硼酸的热分解特性及其热防护结构设计 323
二、不同热防护结构性能对比 325
三、热反射-储热-隔热协同的热防护系统原理分析 328
参考文献 329

第十一章 储热材料在生物医疗领域的应用 331
第一节 药物控制释放 333
一、相变药物释放体系原理 333
二、药物释放特性 336
第二节 热疗医用器材 339
一、热疗口罩 339
二、热疗鼻贴 345
三、降温头套 347
第三节 冷链运输 351
参考文献 355

第十二章 储热器在热泵、太阳能领域的应用 357
第一节 热泵热水储热器 358
一、管壳式储热器 360
二、枕形板储热器 376
三、套管式储热器 380
第二节 热泵化霜储热器 385
第三节 太阳能热水系统储热器 387
一、平板式太阳能相变集热器 388
二、螺旋盘管式太阳能储热器及热水系统 390
参考文献 398

索引 400

丛书序言
材料是人类生存与发展的基石，是经济建设、社会进步和国家安全的物质基础。新材料作为高新技术产业的先导，是“发明之母”和“产业食粮”，更是国家工业技术与科技水平的前瞻性指标。世界各国竞相将发展新材料产业列为国际战略竞争的重要组成部分。目前，我国新材料研发在国际上的重要地位日益凸显，但在产业规模、关键技术等方面与国外相比仍存在较大差距，新材料已经成为制约我国制造业转型升级的突出短板。
先进化工材料也称化工新材料，一般是指通过化学合成工艺生产的、具有优异性能或特殊功能的新型化工材料。包括高性能合成树脂、特种工程塑料、高性能合成橡胶、高性能纤维及其复合材料、先进化工建筑材料、先进膜材料、高性能涂料与黏合剂、高性能化工生物材料、电子化学品、石墨烯材料、3D打印化工材料、纳米材料、其他化工功能材料等。
我国化工产业对国家经济发展贡献巨大，但从产业结构上看，目前以基础和大宗化工原料及产品生产为主，处于全球价值链的中低端。“一代材料，一代装备，一代产业”，先进化工材料具有技术含量高、附加值高、与国民经济各部门配套性强等特点，是新一代信息技术、高端装备、新能源汽车以及新能源、节能环保、生物医药及医疗器械等战略性新兴产业发展的重要支撑，一个国家先进化工材料发展不上去，其高端制造能力与工业发展水平就会受到严重制约。因此，先进化工材料既是我国化工产业转型升级、实现由大到强跨越式发展的重要方向，同时也是我国制造业的“底盘技术”，是实施制造强国战略、推动制造业高质量发展的重要保障，将为新一轮科技革命和产业革命提供坚实的物质基础，具有广阔的发展前景。
“关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的”。关键核心技术是国之重器，要靠我们自力更生，切实提高自主创新能力，才能把科技发展主动权牢牢掌握在自己手里。新材料是国家重点支持的战略性新兴产业之一，先进化工材料作为新材料的重要方向，是化工行业极具活力和发展潜力的领域，受到中央和行业的高度重视。面向国民经济和社会发展需求，我国先进化工材料领域科技人员在“973计划”、“863计划”、国家科技支撑计划等立项支持下，集中力量攻克了一批“卡脖子”技术、补短板技术、颠覆性技术和关键设备，取得了一系列具有自主知识产权的重大理论和工程化技术突破，部分科技成果已达到世界领先水平。中国化工学会组织编写的“先进化工材料关键技术丛书”正是由数十项国家重大课题以及数十项国家三大科技奖孕育，经过200多位杰出中青年专家深度分析提炼总结而成，丛书各分册主编大都由国家科学技术奖获得者、国家技术发明奖获得者、国家重点研发计划负责人等担任，代表了先进化工材料领域的最高水平。丛书系统阐述了纳米材料、新能源材料、生物材料、先进建筑材料、电子信息材料、先进复合材料及其他功能材料等一系列创新性强、关注度高、应用广泛的科技成果。丛书所述内容大都为专家多年潜心研究和工程实践的结晶，打破了化工材料领域对国外技术的依赖，具有自主知识产权，原创性突出，应用效果好，指导性强。
创新是引领发展的第一动力，科技是战胜困难的有力武器。无论是长期实现中国经济高质量发展，还是短期应对新冠疫情等重大突发事件和经济下行压力，先进化工材料都是最重要的抓手之一。丛书编写以党的十九大精神为指引，以服务创新型国家建设，增强我国科技实力、国防实力和综合国力为目标，按照《中国制造2025》、《新材料产业发展指南》的要求，紧紧围绕支撑我国新能源汽车、新一代信息技术、航空航天、先进轨道交通、节能环保和“大健康”等对国民经济和民生有重大影响的产业发展，相信出版后将会大力促进我国化工行业补短板、强弱项、转型升级，为我国高端制造和战略性新兴产业发展提供强力保障，对彰显文化自信、培育高精尖产业发展新动能、加快经济高质量发展也具有积极意义。

中国工程院院士：
2021年2月