研究背景
太阳能存在间歇性和不稳定性，限制了它的有效开发利用。它的主要利用方式是光伏发电和集热，集热利用中间歇性供热缺陷明显，有效储存太阳能实现连续供热成为了一个热点。石蜡相变材料主要用于低温热能储存，但导热性能差、容易泄漏等缺点限制了它的商业化发展，膨胀石墨/石蜡复合相变材料的出现，有效的解决了该问题。AGARWAL等将熔点41～55℃，潜热kJ/kg，导热系数0.21W/(m·K)的工业级石蜡应用到太阳能干燥中。HARIHARAN等[2]采用不锈钢材料封装石蜡，避免石蜡泄漏。孙文鸽等和李云涛等对膨胀石墨/石蜡复合相变材料的微观结构、形貌、导热系数和充放热性能进行研究，结果表明添加膨胀石墨之后实现定型的同时还能增强导热。IGOR等利用线性低密度聚乙烯封装的膨胀石墨/石蜡复合相变材料，石蜡泄漏量减少了50%。张显勇等选用中低温有机相变材料石蜡、硬脂酸、聚乙二醇为主材料，吸附性良好的膨胀石墨、活性炭为支撑材料，制备多种复合相变材料，并对其性能进行分析。文献[8]将制备的石蜡/石墨粉相变材料应用于大棚控温。杜嘉雯等将膨胀石墨/石蜡复合相变材料应用于建筑上面，制备的相变砂浆抗压强度达到29.1MPa。李云涛等利用膨胀石墨/石蜡复合相变材料的热效应来调控磷酸镁水泥水化热。何丽红等将膨胀石墨/石蜡复合相变材料加入到沥青中，掺入5%复合相变材料后，可使路面温度降低5.2℃。高学农等将膨胀石墨/石蜡复合相变应用于电子器件的热管中，避免器件因温度瞬间升高而烧毁。东南大学的于华洋和王昊鹏制备了一种低电阻率沥青路面材料，对材料的导电性能及热传导性进行了研究。如果膨胀石墨/石蜡复合相变材料具有低电阻率的性能，将其添加到沥青当中作为高速路路面，就可以实现冬季加热融雪化冰和夏季降温的双重效果。所以本工作以攀枝花天然鳞片石墨制备膨胀石墨，并采用熔融共混法制备了7种石蜡/膨胀石墨复合相变材料，使用半导体粉末电阻率测试仪对石蜡/膨胀石墨复合相变材料制备过程中的材料电阻率及物理性质进行测试分析。
创新点及解决的问题
采用熔融共混法制备石蜡/膨胀石墨复合相变材料，使用半导体粉末电阻率测试仪对天然鳞片石墨、提纯石墨、可膨胀石墨、石蜡/膨胀石墨复合相变材料在不同压强下的电阻率进行测试。发现所有材料的电阻率都随压强的增加而减小，对导热性能最好的相变材料进行7次重复测试，材料电阻率在0.～0.Ω·cm之间变化，依然小于1Ω·cm，属于低电阻率材料。根据测试数据计算不同压强情况下相变材料单位体积蓄热量、密度、体积和电阻值。材料的单位体积蓄热量和密度随压强增大而增大，体积和电阻则相反，压强在4～10MPa之间时物理性能比较稳定，在10MPa左右时，相变材料电阻值比天然鳞片石墨最大增大倍、体积1.9倍、密度0.6倍，单位体积蓄热量同比4MPa时最大增加22.8%，压缩之后单位体积蓄热量提高。说明膨胀石墨/石蜡复合材料属于低电阻率相变材料，应用于沥青路面，能够实现升温和降温的双重效果。
1实验材料和方法
1.1实验材料
1.2实验仪器
1.3膨胀石墨/石蜡复合相变材料的制备
图1石蜡/膨胀石墨复合相变材料制备过程
2测试原理及条件
2.1测试原理
图2四探针法测量粉末电阻率原理图
2.2测试条件
（a）P10MPa时（b）P10MPa时
（c）B7在不同压强下的表面形貌
图3相变材料的电阻率测试
表1材料物理性质及编号
项目
石墨
可膨胀石墨
天然鳞片
提纯石墨
工艺1
工艺2
工艺3
过程材料编号
A1
A2
A3
A4
A5
膨胀石墨/石蜡复合相变材料
工艺1
工艺2
工艺3
石墨材料粒径/μm
￡N
￡N￡
￡N￡
￡N
￡N￡
￡N￡
￡N￡
材料膨胀容积/mL·g-1
.80
.97
.75
.19
.20
.56
.67
电阻率测试材料的质量/g
0.
0.
0.
0.
0.
0.
0.
相变材料潜热/J·g-1
.7
.1
.6
.7
.5
.4
.9
相变材料编号
B1
B2
B3
B4
B5
B6
B7
3实验结果与讨论
3.1石墨材料的电导率分析
图4不同压强下石墨材料电阻率变化图
表2特定压强下石墨材料物理性质
压强/MPa
3.99
6.02
7.98
10.02
0～10平均值
A1
电阻率/Ω·cm
0.
0.
0.
0.
0.
密度/g·cm-3
1.
1.
2.
2.
体积/cm3
0.
0.
0.
0.
电阻值/Ω
0.
0.
0.
0.
A2
压强/MPa
4.00
6.03
8.00
10.01
电阻率/Ω·cm
0.2
0.
0.
0.
0.
密度/g·cm-3
1.
2.
2.
2.
体积/cm3
0.
0.
0.
0.
电阻值/Ω
0.
0.
0.
0.
A3
压强/MPa
4.36
6.49
8.59
10.63
电阻率/Ω·cm
0.
0.
0.
0.
0.
A4
压强/MPa
4.70
6.14
8.06
10.25
电阻率/Ω·cm
0.7
0.
0.
0.
0.
A5
压强/MPa
4.71
6.45
8.31
10.20
电阻率/Ω·cm
0.
0.
0.
0.
0.
图5不同压强下可膨胀石墨电阻率变化图
3.2可膨胀石墨/石蜡复合相变材料的性能分析
（a）
（b）
（c）
图6不同压强下复合相变材料的电阻率变化图
图7相变材料B7电阻率重复测试情况
（a）
（b）
（c）
图8不同压强下复合相变材料的密度、体积和电阻值变化图
图9不同压强下相变材料单位体积蓄热量变化图
3结论
（1）P在0～10MPa时，A1和A2的平均电阻率均为0.Ω·cm，最大和最小电阻率分别为0.Ω·cm和0.Ω·cm，密度变化范围为1.～2.g·cm3，电阻值变化范围为0.～0.Ω；同等条件下A3～A5的平均电阻率分别为0.Ω·cm、0.Ω·cm、0.Ω·cm，说明氧化和插层之后的石墨材料的导电性能有一定的下降。
（2）P在测试范围之内时，材料的电阻率、体积和电阻值都会随压强的增加而减小，密度随压强的增加而增大，P4MPa时变化比较大，之后变化比较小，材料在P为4～10MPa时性能比较稳定。
（3）P在10MPa左右时，B1～B7的电阻率与A1相比增大的最大倍数为倍，最小倍数为倍，经过7次测试得到相变材料B7在4MPa时的平均电阻率为0.Ω·cm，10MPa时是0.Ω·cm，说明添加石蜡之后材料的导电性能快速下降，但依然具备半导体材料导电性能。
（4）P在4～10MPa之间，B1～B7的物理性能比较稳定，密度为0.～1.g/cm3，体积为0.～0.cm3，电阻值在0.～0.Ω之间。在10MPa左右时，密度变为A1的0.5倍左右，体积最大变为1.9倍，电阻值最大变为倍，相变材料单位体积蓄热量比4MPa时最大增加22.8%。
（5）采用同一工艺制备的可膨胀石墨作为支撑材料时，膨胀容小的电阻率大。不同工艺制备的膨胀石墨作为支撑材料除B7电阻率反常外，都是膨胀容积大电阻率小，B6出现密度偏小现象，源自于相变材混合不均匀。
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