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核聚变能是一种可持续、清洁的新型能源,也是解决日益严峻的能源危机、环境污染等问题的有效手段,能满足未来高度发达工业化的需要。氢同位素分离是氘氚燃料循环再利用的关键,也是核聚变堆的核心。氢同位素高效分离有助于实现核聚变过程氘氚燃料自持、降低运行成本。目前,大部分氢同位素分离材料研究都聚焦在通过材料微观结构设计提升氢同位素吸附分离性能,而通常忽略整个吸附分离过程的热管理效应。鉴于此,本文以多孔材料吸附及材料热传导理论为基础,并借鉴国内外聚合物导热复合材料的研究思路,选择商业5A分子筛作为研究对象,详细研究了导热填料种类(氮化硼、石墨片、石墨烯及聚硅氧烷)与含量,以及导热网络对5A分子筛复合材料导热性能和氢同位素吸附性能的影响,探讨了材料导热性能与氢同位素吸附之间的契合关系,形成了材料设计-热导/氢同位素吸附性能调控技术。具体研究内容如下:(1)为了提升5A分子筛的导热性能,分别选取氮化硼和石墨片(含量:0 wt%～30 wt%),采用粉末混合法、模压成型以及焙烧工艺制备了 5A/氮化硼和5A/石墨复合材料;采用XRD、SEM、FT-IR等技术表征了复合材料的结构和形貌;利用导热测试仪和红外热成像仪研究了填料种类及含量对复合材料导热性能的影响及其导热机理;利用贮氢性能测试仪研究了复合材料的氢气吸附行为。结果表明:复合材料中填料含量越高,越易形成稳定的导热网络结构,导热系数随之升高;与氮化硼相比,石墨填充5A分子筛复合材料具有更优异的导热及热响应性能,30 wt%石墨填充的5A分子筛复合材料的导热系数达到0.97 W/mK,是纯5A分子筛的5.1倍。与纯5A分子筛相比,30 wt%石墨填充的5A分子筛复合材料的归一化氢气吸附容量提高了 15.6 ml/g,表明提高复合材料导热系数可能改变了其氢气吸附行为,初步探讨了复合材料导热性能与氢气吸附之间的关系。(2)为了提升单位体积复合材料氢同位素吸附容量,选取导热系数更高的石墨烯(GE)作为导热填料并降低了负载量(0wt%～8wt%),采用相同工艺流程制备出5A/石墨烯复合材料;利用XRD、拉曼光谱、SEM等分析手段表征了复合材料结构和形貌;利用导热测试仪和红外热成像仪研究了复合材料的导热性能及热响应行为;利用贮氢性能测试仪研究了氢气(H2)和氘气(D2)的吸附行为。结果发现,5A/GE8复合材料形成了导热网络结构,显著提高了 5A分子筛的导热系数和热响应行为,导热系数从5A分子筛的0.19 W/mK增长至1.23 W/mK,提高了约547%。其次,在氢同位素吸附性能研究中发现,5A/GE2的H2及D2吸附容量均达到最大,尤其是D2吸附容量高于纯5A分子筛;在1 bar的压力下,5A分子筛的H2与D2的吸附容量归一化值分别为4.996 mmol/g和5.125 mmol/g,而5A/GE2的H2与D2的吸附容量归一化值分别为5.150 mmol/g和5.505 mmol/g,D2/H2吸附摩尔比分别约为1.026和1.069;重点研究了导热性能与氢同位素吸附性能之间的关系,并尝试建立复合材料形貌-导热-氢吸附之间的契合关系。(3)为了避免固相无机填料占据5A分子筛复合材料的空间位置,选择流动相的有机填料以“填空”形式将聚硅氧烷填充至5A分子筛粒子之间的空隙,采用相同工艺路线制备出5A/聚硅氧烷复合材料,以实现单位体积5A分子筛与其复合材料差异不大,同时利用有机填料提升复合材料的导热性能,最终获得性能优异的氢同位素分离材料,详细研究了 5A/聚硅氧烷复合材料结构、形貌、导热及氢同位素吸附性能。结果表明,5A分子筛粒子之间形成了无定型硅氧碳(SiOC)的网络架构,一方面粘接5A分子筛粒子,另一方面占据5A分子筛粒子之间的空隙,均有利于改善5A分子筛复合材料的热传输速率;聚硅氧烷添加量为10 wt%时,复合材料的导热性能达到最优,其导热系数为0.74 W/mK,提高了约290%;在温度77 K和压力1 bar下,10 wt%聚硅氧烷复合材料的H2及D2吸附容量显著提升,尤其是D2吸附容量归一化值从5.123 mmol/g增加到了 5.799 mmol/g,D2/H2吸附摩尔比约增加0.028,说明5A/SIOC10具有更好的氢同位素吸附性能。(4)在上述基础之上,同时选择有机填料聚硅氧烷和无机填料石墨烯,采用相同工艺制备出5A/聚硅氧烷/石墨烯复合材料,以获得高导热、优异氢同位素吸附性能材料。详细研究了 5A/聚硅氧烷/石墨烯复合材料结构、形貌、导热及氢同位素吸附性能。结果表明,复合材料中形成了以SiOC为基础、GE完善加固的导热网络结构;5A/SIOC/GE8具有优异的导热性能和热响应行为,导热系数高达1.47 W/mK,导热系数比纯5A分子筛提高了 674%,说明SiOC与GE具有协同效应,改善了 5A分子筛的导热性能。氢同位素吸附性能研究发现,在77K温度和1 bar压力下,5A/SIOC/GE2归一化D2吸附容量从5A分子筛的5.123 mmol/g增加到了 5.828 mmol/g,D2/H2吸附摩尔比分别约为1.025和1.141,表明高导热促进了 5A分子筛复合材料的氢同位素吸附性能。