赤藓糖醇复合相变材料储热性能获优化

在全球能源需求持续增长与可再生能源间歇性挑战并存的背景下，利用相变材料（PCM）进行热能存储（TES）成为平衡供需的关键技术。赤藓糖醇因具有高潜热、化学稳定性好及无腐蚀性等优势，被视为极具潜力的中低温储热材料。然而，其固有的低导热率和相变过程中的泄漏问题严重制约了实际应用。针对这一痛点，研究团队开发了一种多尺度混合策略，将赤藓糖醇与微孔硅藻土骨架及石墨烯纳米片（GNP）结合，旨在通过实验制备与机器学习优化，构建兼具高导热性与形状稳定性的复合储热材料。

在材料制备环节，研究采用浸渍法工艺。首先将赤藓糖醇与不同比例的石墨烯纳米片溶解于去离子水中，经磁力搅拌确保均匀混合后，加入不同含量的硅藻土粉末。随后，混合物被置于真空腔室中抽气以排除内部空气，并在45°C烘箱中固化成型。实验设计采用中心组合设计（CCD），系统性地调整石墨烯纳米片（0.5%、2%、4 wt%）和硅藻土（20%、40%、60 wt%）的配比，以探究微观多孔骨架与纳米导热桥梁之间的协同效应。

表征结果显示，复合材料的形态稳定性显著依赖于硅藻土的支撑作用。含20 wt%硅藻土的样品表面出现不规则现象，且在125°C高温下持续失重，Zui终质量降至初始值的6.01%，表明结构支撑不足导致赤藓糖醇易泄漏。相比之下，含40 wt%和60 wt%硅藻土的样品表现出优异的形状稳定性，240分钟后的质量损失分别仅为1.31%和1.12%。扫描电子显微镜（SEM）图像证实，石墨烯纳米片均匀分散并锚定在硅藻土颗粒表面，其高表面能促进了与微孔二氧化硅骨架的物理吸附，有效防止了碳填料的团聚，形成了高效的“热通路”。

在导热性能方面，纯赤藓糖醇的导热系数仅为0.64 W/m·K。引入石墨烯纳米片后，导热率显著提升。其中，含有4 wt%石墨烯纳米片和40 wt%硅藻土的配比样品，其导热系数达到2.3118 W/m·K，增幅高达261%，实现了2.64 W/m·K的优异性能。红外热成像测试进一步验证了这一结果：在模拟太阳能暴露加热后，含4 wt%石墨烯纳米片的样品展现出更高的峰值温度（41°C）和更慢的散热速率，表明其具备更强的热能保持能力。相反，过高的硅藻土含量因自身导热性较低，反而对整体复合材料的导热性能产生负面影响。

为精准预测复合材料的热性能，研究引入了多层感知器神经网络（MLPNN）进行机器学习建模。通过对石墨烯纳米片和硅藻土重量百分比进行归一化处理，并利用五折交叉验证防止过拟合，模型在预测热导率方面表现出极高的准确性，决定系数R²大于0.98。响应面法（RSM）分析进一步揭示，石墨烯纳米片的含量是影响导热系数的Zui关键因素，其与硅藻土之间存在显著的正向交互作用。这些发现表明，通过优化多尺度混合复合材料的组分比例，可为中温热能存储系统提供一种高性能且具成本效益的解决方案。