不同粒徑活性炭/肉豆蔻酸復合相變材料

徐 眾，侯 靜，李 軍，吳恩輝，黃 平，唐亞蘭

（1攀枝花學院釩鈦學院；2四川省太陽能利用技術集成工程實驗室；3太陽能技術集成及應用推廣四川省高校重點實驗室，四川 攀枝花617000）

有機相變材料被廣泛應用于節(jié)能建筑、太陽能低溫儲存、余熱回收、智能織物、電子器件的恒溫保護和電池降溫等領域，是未來最有潛力的材料之一。但其存在導熱性能差、蓄-放熱緩慢和易泄漏等缺陷，在這類材料中添加泡沫金屬、膨脹石墨、石墨烯、碳納米管、活性炭和碳基混合物可提高材料導熱性能[1]。多孔碳添加到十六烷醇-棕櫚酸混合物[2]、硬脂酸[3]、石蠟[4-5]和月桂酸[6]中制備得到定型復合相變材料，導熱性能提高，泄漏得到很好地抑制。而活性炭是多孔碳材料中價格最便宜、工藝最簡單、原料獲取最容易的一種，因此很多的研究者以椰殼[7]、茄子[8]、柚子粉[9]、松木和竹木[10]等為原材料，制備多孔類活性炭，并使用這些材料吸附有機質(zhì)，制備得到穩(wěn)定性好、熱導率和潛熱高的復合相變材料。上述研究均圍繞導熱和潛熱展開，如要拓展活性炭/有機質(zhì)復合相變材料的應用，需對材料其他性能進行研究，如成型密度[11]、密度與熱導率之間的關系[12]、擴散系數(shù)[13]、壓力對體積電阻率影響[14]、電-熱轉(zhuǎn)換效率[15-16]等。其中制備相變儲能砂漿，需測試抗壓能力；制備相變石膏，需分析材料密度；制備智能織物和電子元器控溫材料，需了解溫度分布情況和電阻率，導電性能差、絕緣效果好，可用于電池熱管理；董光能等[17]在研究可控相變復合導電自潤滑材料的加熱特性時發(fā)現(xiàn)，材料導電性較好的發(fā)熱量高，因此需要降低材料電阻率，提升導電能力。而使用相變?yōu)r青混凝土進行高速路降溫除雪時，需要進行通電提高道路溫度，由于瀝青混凝土本身電阻率高、導電性能差，如果加入導電性能較差的復合相變材料時電阻率就會更高，就需要再次加入強導電物質(zhì)。張璐一[18]和任苗[19]就在相變儲熱混凝土中添加碳纖維來提升導電性能，趙宇軒[20]研究的光電調(diào)溫儲能復合纖維材料也要求具有良好的導電性能，如果制備一種導電性能非常好的復合相變材料，并將其作為相變儲熱混凝土的添加料，就可減少導電強化劑的添加量，因此研究復合相變材料的電阻率很有意義。另外，國內(nèi)外研究表明在有機復合相變材料當中添加石墨可以提升材料的導熱性能，加快充放熱。

本工作在上述研究的基礎上以不同粒徑活性炭(200、300、325 和400 目)為支撐材料，十四酸(肉豆蔻酸)為相變主材，石墨為導電強化劑，制備不同粒徑AC/MA 成型復合相變材料。并對成型壓力和AC 添加量對材料密度、泄漏率和溫度場分布的影響、AC添加量對蓄-放熱時間的影響、成型壓力對熱導率的影響以及AC 粒徑和石墨添加量對復合材料電阻率的影響進行分析。

1 實驗材料和方法

1.1 材 料

不同粒徑活性炭(AC)，粒徑分別為200(AC1)、300(AC2)、325(AC3)和400 目(AC4)，河南金豐環(huán)保工程有限公司；十四酸(MA)，別名肉豆蔻酸，優(yōu)品級，熔點54 ℃，廣州聚力化工有限公司；石墨粉，AR，寧波化工原料有限公司。

1.2 分析測試儀器

超級恒溫水浴鍋，SYC-15B型，南京桑力電子設備廠，精度為0.01 ℃；電子分析天平，F(xiàn)A2104A型，上海精天電子儀器有限公司，精度0.1 mg；電熱鼓風干燥箱，101 型，北京永光明醫(yī)療儀器有限公司，精度0.1 ℃；電動壓片機，F(xiàn)YD型，天津市思創(chuàng)精實科技發(fā)展有限公司， 壓力范圍0～30 MPa，壓力穩(wěn)定性≤1 MPa/10 min；熱導率測試儀，DRXL-Ⅱ型，湘潭儀器儀表有限公司，測試范圍0.1～300 W/(m·K)，測試溫度范圍室溫～250 ℃，熱導率測試精度高于10%，試樣尺寸φ130×(1～100)mm；紅外熱成像儀，ST9450型，東莞萬創(chuàng)電子制品有限公司，測量溫度范圍-25～450 ℃，測量精度±2 ℃/±2%，紅外熱圖像分辨率220×160；粉末半導體電阻率測試儀，ST2722-SZ型，蘇州晶格電子有限公司，電阻測試范圍10 μΩ·cm～200 MΩ·cm，分 辨 率1.0×10-6～0.1×103Ω·cm，試樣粒度40～60 目，可調(diào)高度0～20 mm；壓強量程0～20 MPa。

1.3 定型復合相變材料的制備方法

取一定質(zhì)量固態(tài)MA 放入250 mL 燒杯，置于80 ℃水浴融化，再轉(zhuǎn)移至60 ℃恒溫水浴，取適量AC 加入(總質(zhì)量10 g)，攪拌30 min，冷卻30 min，在4 MPa下壓制成型(保壓3 min)，制備得到不同粒徑、不同質(zhì)量分數(shù)AC/MA 成型復合相變材料，具體工藝如圖1所示。

圖1 AC/MA定型復合相變材料的制備Fig.1 Preparation of AC/MA composites as form-stable phase change materials

2 測試方法及條件

2.1 復合材料密度測試

制備不同定型復合相變材料，稱量質(zhì)量m，測試直徑(D)和高度(h)，每個試樣測3 次，求平均值，根據(jù)式(1)計算成型材料密度，具體測試結果如圖2所示。圖2(a)和(b)是純MA直徑和高度，測試數(shù)值分別約為30 mm和13 mm；圖2(c)和(d)是AC2/MA的直徑和高度，數(shù)值分別為31 mm和10 mm左右。

式中，ρ為密度，g/cm3；m為質(zhì)量，g；h為高度，cm；D為直徑，cm。

2.2 復合相變材料泄漏率和溫度場分布測試

將AC質(zhì)量分數(shù)為5%～60%的定型復合材料置于鋪設A4 紙的托盤中，放入60 ℃干燥箱試漏30 min，試漏的受力原理分析見文獻[21]，再根據(jù)式(2)計算泄漏率

式中，η 為MA 泄漏率，%；m 為泄漏后質(zhì)量，g；m0為初始質(zhì)量，g。

通過上述方法確定AC添加的最佳質(zhì)量分數(shù)(測試過程當中以泄漏率小于0.5%，移開后無明顯泄漏，確定為最佳質(zhì)量分數(shù))，制備不同壓力下，最佳質(zhì)量分數(shù)的AC/MA復合材料(壓力為0～10 MPa，間隔2 MPa)。放入60 ℃烘箱蓄熱60 min，測試壓力對泄漏率的影響，蓄熱結束，取出室溫放熱，整個實驗過程中采用紅外成像儀測試溫度場分布，蓄-放熱測試時間間隔分別為10 min和5 min。

制備不同壓力下成型的純MA(質(zhì)量10 g)，放入鋁盒，置于托盤中，放入烘箱蓄熱，MA完全融化后，取出室溫放熱，放熱結束，再次蓄熱，溫度場測試方法同上。測試發(fā)現(xiàn)成型MA 在60 ℃蓄熱60 min，未見融化，因此將溫度調(diào)整為65 ℃。

2.3 材料熱導率和電阻率測試

制備不同壓力、不同粒徑活性炭、最佳質(zhì)量分數(shù)的AC/MA復合相變材料，取10 g左右壓制成型，如圖2(c)所示，用熱導率測試儀測試熔點溫度±5 ℃材料的熱導率，每個溫度點測試3 次，求取平均值，復合材料的導熱機理見文獻[18]。

制備最佳質(zhì)量分數(shù)的AC/MA 復合材料，研磨至粒徑小于40 目，用粉末半導體電阻率測試儀測試材料電阻率，壓力范圍0～12 MPa，每個試樣測試3 次，具體方法及原理見文獻[22]，材料導電機理見文獻[17-21]。測試發(fā)現(xiàn)AC 電阻率很大，制備成復合材料后電阻率更大，因此選擇在AC 中添加1%～10%的石墨粉后作為導電強化劑，再測試材料的電阻率。

3 結果與討論

3.1 定型復合相變材料的泄漏率分析

泄漏測試結束之后，通過式(2)計算泄漏率，結果見圖3(a)。從圖中可看出，MA中添加AC質(zhì)量分數(shù)小于15%時，泄漏率數(shù)值變化很大，超過15%之后變化很小，對添加量大于15%進行局部放大。從局部圖可以看出MA 當中添加AC1、AC2、CA3 和AC4 的最佳質(zhì)量分數(shù)分別為47%、42%、38%和35%。不同粒徑AC 的最佳質(zhì)量分數(shù)均小于50%，且隨AC粒徑減小而減小，從AC1變到AC4時減小了12%，因為隨AC粒徑減小，材料比表面積增加，對MA吸附能力增強。

圖3 AC/MA復合材料泄漏率Fig.3 Leakage ratio of AC/MA composites phase change materials

制備最佳質(zhì)量分數(shù)、不同壓力成型復合材料，在60 ℃烘箱中蓄熱60 min，采用式(2)計算泄漏率，結果見圖3(b)。從圖中看出，泄漏率隨成型壓力增加而減小，均低于3.25%；壓力小于4 MPa 時，泄漏率快速減小，大于等于4 MPa之后，泄漏率減小變緩；AC3(38%)/MA 泄漏率最小，低于1.75%，AC1(47%)/MA 泄漏率最大；壓力從0 MPa 變到10 MPa 泄漏率分別減小1.53%、1.74%、1.26%和2.52%，壓力對AC4/MA 復合相變材料的泄漏率的影響最大。說明增加壓力可以有效減緩肉豆蔻酸的泄漏，但成型壓力應該控制在4 MPa左右。

3.2 定型復合相變材料的密度分析

根據(jù)式(1)計算AC/MA 復合材料密度，密度和質(zhì)量與AC添加量和成型壓力之間關系如圖4所示。從圖4(a)看出，復合材料密度隨AC質(zhì)量分數(shù)增加而增大，因測試過程中材料高度h需估讀，所以存在誤差，密度數(shù)值會出現(xiàn)一定波動；AC1質(zhì)量分數(shù)在0～60%之間時，密度最大是48%時的1.1087 g/cm3，比純MA 增大0.1649 g/cm3；AC2/MA 最大是50%時的1.1276 g/cm3；AC3/MA 最大是40%時的1.1212 g/cm3；AC4/MA 密 度 最 大 的 是30% 時 的1.0744 g/cm3；AC添加量小于30%時，密度增幅較大，隨后變小。圖中標記的最大值與AC 質(zhì)量分數(shù)增加后密度減小的最小值之間差距為6.95%、1.39%、2.11%和3.43%［差距=(最大值-最小值)/最大值×100%］，減小數(shù)值除AC1/MA 大于5%以外，其他的均在誤差允許范圍之內(nèi)。從圖中還可看出AC 添加量從10%增加到50%時復合材料質(zhì)量差在1 g，添加量為0%時質(zhì)量為9.678 g，為最大值，密度最小。

從圖4(b)看出，壓力對純MA 密度影響很小，除8 MPa 時出現(xiàn)拐點，密度均在0.95 g/cm3左右；AC/MA 復合材料密度隨壓力的增加而增大，密度在0.94～1.10 g/cm3；壓力在2～10 MPa時，變化最大的是AC1/MA 復合材料。復合材料密度比純MA大，是因為純MA屬于顆粒狀不易壓縮，而復合材料是在熔融狀態(tài)下混合，所以更容易壓縮，其體積就會比純MA 小，質(zhì)量變化小于0.2 g，體積減小，密度就增加。

3.3 定型復合相變材料溫度場分布分析

分析成型壓力對蓄-放熱溫度場分布的影響，先分析純MA蓄-放熱情況，其中不同壓力成型MA在60 ℃和65 ℃下溫度場分布如圖5 所示。圖中標識3個溫度，紅色為最高溫度TH，白色為中心溫度T0，綠色為最低溫度TL。從圖5(a)中看出，MA 在60 ℃、蓄熱30 min 并未融化，中心溫度在49.0～53.1 ℃之間變化；從圖5(b)看出經(jīng)過60 min后，中心溫度高于53.5 ℃，但均未見融化。從圖5(c)和(d)可以看出，在65 ℃下蓄熱30 min 和60 min，中心溫度分別在49.9～50.2 ℃和57.7～61.9 ℃，最高溫度和最低溫度分別出現(xiàn)在2 MPa和10 MPa，說明成型壓力對純MA 升溫有抑制作用；蓄熱60 min 后ΔT0在9.8～11.7 ℃之間變化；從圖5(c)～(f)看出，蓄熱160 min，隨時間增加，溫度升高，MA開始完全融化，溫度場分布變得均勻，中心溫度在61.6～66.3 ℃之間變化，ΔT0在13.4～17.0 ℃之間變化。從圖5(g)可以看出，在室溫放熱10 min，ΔT0在7.0～23.2 ℃之間變化，隨溫度降低MA冷凝，溫度場開始分布不均勻；從圖5(h)可以看出，放熱20 min 所有情況下溫度均達到23 ℃左右，溫度很低，溫度場有開始均勻。

為了分析相同溫度下成型復合材料和純MA溫度場分布的情況，將4 MPa成型的最佳質(zhì)量分數(shù)的AC/MA 復合相材料進行蓄-放熱溫度場分布測試，結果如圖6所示。從圖6(a)～(d)看出AC/MA成型復合材料在蓄-放熱過程中溫度顯示的色澤均比純MA 均勻，說明AC/MA 溫度場分布均比純MA 均勻。從圖6(a)看出，AC1/MA 蓄熱3～18 min 時ΔTH、ΔT0和ΔTL分別為0.3 ℃、21.6 ℃和18.6 ℃；18～51 min 時3 個溫度差分別為1.5 ℃、5.4 ℃和1.8 ℃，從低溫升高到熔點的速率比從熔點升高到最高溫度的速率快，且整個過程中溫差最大的是ΔT0[23]，從圖6(b)～(d)也可以看出同樣變化規(guī)律。

同法對4 MPa下不同AC質(zhì)量分數(shù)的AC/MA的溫度場進行分析，結果如圖7所示。從圖中看出成型復合材料蓄熱30 min后，溫度場分布比圖5(a)均勻。根據(jù)圖7(a)～(d)計算TH和T0差值T1，結果見表1。從表1 可以看出AC1 添加量為30%和60%時，T1出現(xiàn)最大和最小值，分別為3.6 ℃和0.6 ℃，AC2、AC3 和AC4 添加量分別為55%、50%和35%時T1最小，均為0.6 ℃，T1最大分別是30%、30%和33%，溫差均在3 ℃以上；AC添加量最大時，T1最小，溫度場分布最均勻。與圖5(a)和5(c)中4 MPa下溫差4.1 ℃和7.9 ℃相比，添加AC 之后溫差更小，溫度場分布更加均勻。

采用相同方法對4種不同壓力下成型的復合相變材料溫度場分布情況進行分析，結果如圖8 所示。圖8(a)是0～10 MPa成型AC1/MA、在60 ℃蓄熱30 min和60 min的溫度場分布情況，圖8(b)～(d)分別是AC2/MA、AC3/MA和AC4/MA，在60 ℃蓄熱30 min和60 min的溫度場分布情況。從圖8(a)～(d)可以看出，蓄熱30 min 時，溫度場當中還有大量溫度較低的綠色和藍色區(qū)域，蓄熱60 min之后藍色區(qū)域減少，黃色和紅色區(qū)域增加，溫度場變得均勻。與圖3相比，溫度顏色圖分布更加均勻。根據(jù)圖5(a)、圖5(b)、圖8(a)～(d)中的溫度，計算不同壓力下不同時間段復合材料的溫差見表2。

從表2 中可看出隨著蓄熱時間的增加溫差減小，溫度場變均勻；蓄熱30 min，AC/MA 復合材料的T1除少數(shù)比純MA 高以外，大多數(shù)均比其低，說明溫差小，溫度場分布更均勻；蓄熱60 min，除AC2/MA 在6 MPa 和8 MPa 時T1，AC3/MA 在10 MPa 時T1，AC4/MA 在6 MPa 和8 MPa 時T1和T2稍微比純MA 高以外，其他材料的溫差均比純MA小。

圖5 純MA蓄-放熱溫度場分布Fig.5 Temperature field distributions of pure MA

圖6 AC/MA復合材料在65～20 ℃水浴蓄-放熱溫度場分布Fig.6 Temperature distribution of AC/MA composite material in 65～20 ℃water bath

圖7 不同AC質(zhì)量分數(shù)復合材料蓄熱30 min溫度場分布Fig.7 Temperature distribution of composite materials with different AC mass fractions for 30 minutes

圖8 不同成型壓力下AC/MA復合材料蓄-放熱溫度場分布Fig.8 Temperature distribution of AC/MA composites under different forming pressures

表1 4 MPa下不同AC質(zhì)量分數(shù)復合材料的溫差Table 1 Temperature difference of composite materials with different AC mass fractions under 4 MPa

3.4 定型復合相變材料蓄-放熱中心溫度分析

0～10 MPa下成型純MA蓄-放熱中心溫度T0測試結果見圖9(a)。從圖可看出，純MA在65 ℃蓄熱40 min 左右，達到熔點54 ℃，最快和最慢的分別是2 MPa 和10 MPa；溫度升高到60 ℃，最快與最慢的時間差55 min 左右；放熱到30 ℃，時間基本一致；冷卻后再次升溫到54 ℃的時間為30 min 左右，比成型時快。

最佳質(zhì)量分數(shù)4 MPa 成型的AC/MA 在65～20 ℃水浴蓄-放熱中心溫度變化如圖9(b)所示。從圖中可以看出AC1/MA達到熔點溫度最快，為10 min；最慢的是AC4/MA的16 min；跟圖9(a)中4 MPa的純MA相比，分別縮短30 min和24 min；降溫過程最快和最慢的依然是AC1/MA 和AC4/MA；從圖中還可以看出AC添加量越大蓄-放熱時間越短，添AC可以加快材料的蓄-放熱。

表2 相同溫度不同壓力下復合材料的溫差Table 2 Temperature difference of composite materials under the same temperature and different pressure

圖9 相變材料蓄-放熱時中心溫度變化情況Fig.9 Center temperature of composite phase change materials in thermal storage and release

分析4 MPa條件下，不同粒徑和不同質(zhì)量分數(shù)AC對復合材料蓄-放熱中心溫度隨時間變化情況如圖10所示。從圖10(a)～(d)看出，蓄熱時，AC添加量越小溫度越高；放熱時，AC 添加量越大，放熱時間越短，因為蓄熱時AC 質(zhì)量分數(shù)小，表面有大量未吸附的MA，所以融化快，溫度升高快，而放熱時AC 添加質(zhì)量分數(shù)越大，材料散熱快，所以時間短；圖中10(a)和(c)中除AC質(zhì)量分數(shù)為10%蓄熱30 min達到熔點以外，其他質(zhì)量分數(shù)復合材料均未達到熔點溫度；圖中10(b)和(d)中蓄熱30 min 基本都達到熔點溫度。

分析不同壓力下最佳質(zhì)量分數(shù)的AC/MA 復合相變材料中心溫度隨蓄熱時間變化情況如圖11 所示。從圖11(a)可以看出最先達到熔點溫度的是6 MPa，最慢的是10 MPa，蓄熱時間相差15 min左右；從圖11(b)～(d)可以看出，達到熔點最快的是0 MPa，最慢的是10 MPa，達到熔點的時間均在30 min；室溫放熱時基本在同一時間到達27 ℃；說明成型壓力增大會抑制復合材料升溫。

3.5 定型復合相變材料的熱導率分析

材料固態(tài)、固-液混合態(tài)和液態(tài)下的熱導率會產(chǎn)生明顯變化[24-25]，所以實驗選取50 ℃、54 ℃和60 ℃為測試點，其中AC/MA 的結果如圖12 所示。從圖12(a)看出，除8 MPa時AC4/MA在50 ℃有明顯下降，其他材料的熱導率均隨壓力增加而增大，因為壓力增大，密度增加，熱導率變大[12]；3個溫度下0 MPa 和10 MPa 熱導率差值分別為0.0718、0.1023和0.1443 W/(m·K)，液態(tài)＜固-液混合態(tài)＜固態(tài)；與純MA固態(tài)和液態(tài)熱導率0.254 W/(m·K)[26]和0.17 W/(m·K)[23,27]相比，固態(tài)提高了1.97～2.44倍，液態(tài)提高了3.26～4.11 倍，固-液混合態(tài)分別比純MA 固態(tài)和液態(tài)提高了2.07～2.47倍和3.59～4.19倍。壓力對材料熱導率影響很小，因此其他3種僅測試4 MPa時不同溫度熱導率，結果如圖12(b)所示。從圖中看出，不同溫度下材料熱導率無明顯規(guī)律；AC1/MA液態(tài)和固態(tài)熱導率分別提高了2.04倍和3.57倍，熔點時分別比固態(tài)和液態(tài)MA 提高了1.91 倍和3.34 倍；AC2/MA 液態(tài)和固態(tài)熱導率分別提高了2.05 倍和3.45倍，熔點時分別比固態(tài)和液態(tài)MA提高了2.30倍和3.93 倍；AC3/MA 液態(tài)和固態(tài)熱導率分別提高了1.71 倍和3.93 倍，熔點時分別比固態(tài)和液態(tài)MA 提高了1.98倍和3.46；液態(tài)熱導率提高最大，因為添加AC后融化的MA依然吸附于AC孔隙內(nèi)，所以熱導率提高大。

圖10 不同質(zhì)量分數(shù)AC的復合相變材料蓄-放時中心溫度變化Fig.10 Center temperature variation of composite phase change materials AC of composite formed under same pressure in thermal storage and release

圖11 不同壓力下成型的復合材料蓄-放熱中心溫度變化情況Fig.11 Center temperature variation of composite phase change materials of composite formed under different pressure in thermal storage and release

圖12 成型復合材料熱導率Fig.12 Thermal conductivities of composites as form-stable phase change materials

3.6 定型復合相變材料的電阻率分析

文獻[14]探究了石蠟/膨脹石墨體積電阻率與氮化鋁添加量之間的關系，文獻[16]研究了聚苯胺封裝聚乙烯醇/石墨烯復合材料電阻率系數(shù)與溫度之間的關系，另有文獻探究了成型復合相變材料將電能轉(zhuǎn)化為熱能的效率[5,28-29]，轉(zhuǎn)化的關鍵因素就是電阻率，因此復合相變材料的電阻率分析很有意義。實驗采用的AC電阻率較大，如圖13(a)所示，因此選擇添加1%～10%石墨粉，研究電阻率變化規(guī)律。其中添加6%和10%石墨粉電阻率結果如圖13(b)和(c)所示。從圖13(a)看出，電阻率隨壓力增加而減小，小于4 MPa時，下降很快，之后減緩；壓力在1～12 MPa之間，電阻率在2500～20000 Ω·cm之間；電阻率從小到大依次為AC3、AC4、AC1 和AC2。從圖13(b)看出，添加6%石墨，電阻率在1000～8000 Ω·cm之間，比AC降低1500～12000 Ω·cm；從小到大依次為AC1、AC2、AC4 和AC3。從圖13(c)看出，添加10%石墨，電阻率在20～2500 Ω·cm 之間，下降了1～2 個數(shù)量級，從小到大依次為AC1、AC2、AC3和AC4，說明隨石墨粉質(zhì)量分數(shù)增加材料電阻率減小[30]，且大粒徑AC的電阻率減小最明顯。

圖13 材料電阻率Fig.13 Resistivities of materials

圖14 固定壓力下AC電阻率隨石墨添加量的變化情況Fig.14 Change of AC resistivity with graphite addition under fixed pressure

為確定石墨粉添加量對材料電阻率的影響，選取4 MPa、8 MPa 和12 MPa 下的電阻率進行分析，結果如圖14 所示。從圖14(a)看出，石墨粉添加量大于1%時，電阻率隨石墨添加量增加而減小；石墨添加量在1%～10% 之間，電阻率在120～11000 Ω·cm 之間；添加量大于6%后，電阻率從小到大依次為AC1、AC2、AC4和AC3；達到8%時，電阻率降低到1000 Ω·cm以下。從圖14(b)看出，石墨添加量大于2%，電阻率隨石墨粉添加量增加而減??；石墨添加量在1%～10%，電阻率在30～5000 Ω·cm 之間；添加量超過6%，規(guī)律性很明顯；達到8%時，電阻率低到200 Ω·cm以下。從圖14(c)看出，石墨添加量大于1%時，規(guī)律跟前兩個壓力一致；添加量在1%～10%，電阻率在20～3500 Ω·cm；添加量達到8%，電阻率低至120 Ω·cm以下。因此選擇在AC/MA材料中添加8%和10%的石墨粉，結果如圖15所示。

圖15 復合相變材料電阻率隨石墨添加量變化情況Fig.15 Resistivity of composite phase change materials varies with amount of graphite added(a)solid mixed with 8%graphite;(b)solid mixed with 10%graphite;(c)liquid mixed with 10%graphite

圖15(a)是取9.2 g最佳配比的AC/MA復合材料與0.8 g的石墨粉直接混合后的電阻率，由于2 MPa前電阻率較大，所以選擇3～12 MPa之間的電阻率進行分析；壓力小于4 MPa，下降較快，隨后緩慢；電阻率在3～900 Ω·cm 之間；6 MPa 后電阻率從小到大依次為AC4/MA、AC2/MA、AC3/MA 和AC1/MA。從圖15(b)看出，添加10%石墨，電阻率快速下降到3～160 Ω·cm，最大值減小了4.6 倍；6 MPa 后電阻率從小到大規(guī)律跟8%時一致，說明添加石墨粉可有效降低復合材料的電阻率；測試發(fā)現(xiàn)，固態(tài)混合3次電阻率測試差別較大，所以選擇先在液態(tài)MA 中添加10%石墨粉，再添加AC，質(zhì)量分數(shù)跟固態(tài)混合一致，其測試結果見圖15(c)，從圖中看出3次測試結果基本一致，波動很小，說明液態(tài)混合得到的材料更均勻；3 MPa時，材料電阻率快速降低到115 Ω·cm 以下，比固態(tài)混合減小45 Ω·cm；12 MPa時平均電阻率11.7 Ω·cm，比固態(tài)混合大8.7 Ω·cm，因為液態(tài)混合，MA 直接包覆石墨粉，再與AC 混合，而AC 和MA 的電阻率均很大，所以電阻率增加。

為更好分析電阻率與壓力的關系，采用指數(shù)衰減 函 數(shù)［ 擬 合 公 式： y=y0+A1×exp(-x/t1)］ 對圖13(a)、15(a)～(c)中曲線進行擬合，函數(shù)中y是材料電阻率，Ω·cm；x是壓力，MPa；y0、A1和t1均為常數(shù)，擬合公式見表3。從表中看出確定系數(shù)R2很接近1，說明擬合后的函數(shù)電阻率與壓力相關性較高，可以根據(jù)函數(shù)計算材料在任意壓力下的電阻率。

4 結 論

（1）在MA 中添加AC1、AC2、AC3 和AC4 的最佳質(zhì)量分數(shù)分別為47%、42%、38%和35%，說明AC粒徑越小添加的質(zhì)量分數(shù)越少。

（2）成型壓力在0～10 MPa變化，材料泄漏率隨成型壓力的增加而減小，壓力對AC3/MA泄漏率的影響最大；材料密度會隨AC 質(zhì)量分數(shù)和成型壓力的增加而增大；AC 質(zhì)量分數(shù)在10%～60%，材料的密度在0.96～1.13 g/cm3；最佳配比下不同成型壓力的材料密度為0.94～1.10 g/cm3。

（3）成型材料溫度場分布測試結果表明，復合相變材料比純MA蓄熱時間短，材料的溫度場分布更均勻；蓄熱時間最長和最短分別是0 MPa 和10 MPa成型的材料，說明成型會抑制材料的蓄熱；水浴蓄-放熱結果顯示，到達蓄熱到熔點和放熱到30 ℃的時間從短到長依次為AC1/MA、AC2/MA、AC3/MA和AC4/MA，說明AC添加量越大，蓄-放熱時間越短。

（4）成型復合材料熱導率測試結果顯示，材料熱導率會隨成型壓力增加而增大；AC1/MA、AC2/MA、AC3/MA 和AC4/MA 材料熱導率分別比純MA 提高了1.91～4.11、2.05～3.93、1.71～3.93 和1.97～4.11倍。

（5）復合材料電阻率測試結果顯示，電阻率會隨壓力的增加而減小，指數(shù)擬合顯示材料的電阻率與壓力相關性很高；AC中添加8%和10%的石墨后電阻率降低1～2 個數(shù)量級；在固態(tài)復合相變材料中添加10%石墨粉，3～12 MPa 時電阻率在3～160 Ω·cm 之間；液態(tài)復合相變材料中添加10%石墨粉，比固態(tài)混合時的最大電阻率減小45 Ω·cm，最小電阻率增加8.7 Ω·cm。