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矿物基复合储热材料：制备工艺与性能调控的深度剖析

一、引言

1.1研究背景与意义

随着全球经济的快速发展和人口的持续增长，能源需求急剧攀升，能源供需矛盾日益尖锐。国际能源署（IEA）数据显示，过去几十年间，全球能源消费总量以年均[X]%的速度增长，而传统化石能源的储量却在不断减少。同时，能源消耗带来的环境污染问题愈发严重，如温室气体排放导致的全球气候变暖，对生态平衡和人类生存环境构成了巨大威胁。因此，开发高效、清洁的能源利用技术，提高能源利用效率，已成为全球可持续发展的关键任务。

储热技术作为一种能够有效解决能源供需在时间和空间上不匹配问题的关键技术，在提高能源利用效率方面发挥着不可或缺的作用。在太阳能利用领域，由于太阳能的间歇性和不稳定性，白天产生的多余热能若无法储存，将白白浪费，而储热技术可将太阳能转化为热能储存起来，在夜间或阴天等太阳能不足时释放使用，实现太阳能的持续稳定供应。在电力调峰领域，储热技术能够在用电低谷期储存电能转化的热能，在用电高峰期释放热能转化为电能，有效缓解电力供需矛盾，提高电力系统的稳定性和可靠性。在工业余热回收领域，大量的工业余热若不加以回收利用，不仅造成能源浪费，还会对环境产生热污染，储热技术可将工业余热储存起来，用于其他生产过程或生活供暖，显著提高能源的综合利用效率。

储热材料是储热技术的核心，其性能直接决定了储热系统的效率和应用范围。矿物基复合储热材料作为一种新型储热材料，近年来受到了广泛关注。这类材料通常以储量丰富、成本低廉的矿物为基体，通过与其他功能性材料复合，克服了单一材料在储热性能上的局限性，展现出优异的综合性能。例如，将具有高储热密度的相变材料与具有良好导热性和稳定性的矿物材料复合，既能提高储热材料的储热容量，又能改善其导热性能和稳定性，有效解决了传统储热材料存在的导热系数低、相变时易泄漏等问题。

研究矿物基复合储热材料具有重要的理论和实际意义。从理论层面来看，深入探究矿物基复合储热材料的制备工艺、结构与性能之间的关系，有助于揭示复合储热材料的储热机制，丰富和完善储热材料的理论体系，为新型储热材料的设计和开发提供理论指导。从实际应用角度出发，开发高性能的矿物基复合储热材料，能够满足太阳能利用、工业余热回收、建筑节能等多个领域对高效储热材料的迫切需求，推动这些领域的技术进步和产业发展，为缓解全球能源危机和环境污染问题做出积极贡献，具有显著的经济效益和社会效益。

1.2矿物基复合储热材料概述

矿物基复合储热材料是指利用矿物具有储热性能的内部空间结构组装成的相变储热材料，或直接利用矿物的显热储热特征，实现可循环储存/释放热量的矿物基复合材料。这类材料充分发挥了矿物资源的优势，通过与其他功能性材料的复合，具备了更优异的储热性能和应用潜力。

根据储热原理的不同，矿物基复合储热材料主要可分为显热储存矿物材料和潜热储存矿物材料。显热储存矿物材料利用矿物自身的比热容来储存和释放热能。其储热过程基于物质温度的变化，当外界温度升高时，材料吸收热量，温度上升，将热能以显热的形式储存起来；当外界温度降低时，材料释放热量，温度下降。这类材料通常通过将金属矿物与非金属矿物复合制备而成，金属矿物尾渣以及非金属矿物具有较高的比热容而且价格低廉，可以将金属矿物尾渣与非金属矿物混合压制焙烧制备显热储存矿物材料。例如，常见的显热储存矿物材料中可能包含金属氧化物（如氧化铝、氧化铁等）与黏土矿物（如蒙脱石、高岭土等）的复合物。显热储存矿物材料的储热容量与比热容成正比，比热容越大，在相同温度变化范围内，能够储存的热量就越多。

潜热储存矿物材料则利用非金属矿物装载的有机相变材料发生相变时进行的吸/放热能量转化方式来储存和释放热能。其储热过程基于相变材料在特定温度下发生相态转变，在相变过程中吸收或释放大量的潜热，而自身温度基本保持不变。主要利用非金属矿物的多孔道或高比表面积吸附相变材料形成定型复合相变材料，又称矿物基复合相变储热材料。例如，以硅藻土、膨胀蛭石、膨胀珍珠岩等多孔矿物为载体，吸附石蜡、脂肪酸等有机相变材料。当环境温度达到相变材料的相变温度时，相变材料发生相变，如从固态转变为液态（或从液态转变为气态），吸收大量热量实现储热；当温度降低时，相变材料从液态变回固态（或从气态变回液态），释放出储存的热量。这种基于相变的储热方式具有储热密度高、储放热过程近似恒温等优点，能有效提高储热系统的效率和稳定性。

1.3国内外研究现状

在制备方法方面，国内外学者进行了广泛且深入的研究。早期，物理混合法被广泛应用，如简单地将矿物与相变材料混合，该方法虽操作简便，但复合效果欠佳，材料性能提升有限。随着研究的推进，真空浸渍法逐渐兴起，利用真空环境使相变材料更充分地浸入矿物孔隙中，有效提高了复合效率和材料稳定性。例