[发明专利]一种复合相变储热材料

说明书

技术领域

本发明属于热交换材料领域，具体涉及一种高热导率多孔材料与低熔点金属的复合相变储热材料。

背景技术

相变储热材料在航天器热控、相变储能、建筑节能、太阳能热利用、芯片散热等领域具有极为广泛的应用。常用的相变储热材料分为固液相变材料和固固相变材料，固液相变材料包括石蜡、脂肪酸、硫酸钠水合盐、氯化钙水合盐等，固固相变材料有多元醇、高分子化合物、层状钙钛矿等。但是不论是有机物类相变材料，还是无机盐类相变材料，它们共有的缺陷就是热导率小，这直接导致相变储热材料的热惯性大，影响其传热速率和冻融速率。现有的提高相变储热材料导热性能的方法主要集中于在传统相变材料中添加导热增强剂，即将金属粉、石墨颗粒等和相变材料混合，以提高复合相变材料的当量热导率（CN102241963A，CN102660230A）。然而，受制于基体相变材料热导率不高这一瓶颈性缺陷，通过这类方法制作而成的复合相变材料的热导率的提高依然相当有限。此外，上述方法还存在制作工艺复杂、多次吸放热循环后容易相分离、稳定性差等不足。因此，寻找一种热导率足够高、制作和使用方便的相变储热材料，仍然是当前工业界亟需解决的问题。

新型多孔材料，例如泡沫铜（“聚氨酯海绵浸渗法制备高孔隙率泡沫铜”，《稀有金属材料与工程》第38卷第4期，2009年4月）、泡沫铁、发泡石墨具有高导热性、低密度、耐火、吸波、低热膨胀系数、比表面积大、吸附性优良、隔热性优异及抗压性良好等特点,孔隙率在70-99%之间，在热控材料、双电层电容器、催化剂载体、高温隔热和航空航天等领域中均有广泛的应用前景。其在相变储热材料中的应用尚无尝试。

发明内容

针对现有技术的不足之处，本发明提出将低熔点金属灌注于高热导率多孔材料中，本发明的技术目的是提出一种复合相变储热材料。

本发明的另一个目的是提出复合相变储热材料的制备方法。

为实现本发明目的技术方案为：

一种复合相变储热材料，以具有高热导率的多孔材料为支撑骨架，低熔点金属或添加有纳米颗粒的低熔点金属分布于多孔材料的孔道中。其中，所述低熔点金属的熔点或固相线温度≤80℃；所述多孔材料的热导率在40-400W/(m·K)之间。

其中，所述具有高热导率的多孔材料为泡沫金属或发泡石墨，所述泡沫金属选自泡沫铜、泡沫铝、泡沫铁、泡沫镍、泡沫铁镍中的一种。

其中，所述多孔材料为多孔介质材料，其孔洞之间相通。

其中，所述低熔点金属为镓、镓基合金、铟、铟基合金、铋基合金中的一种。

其中，所述纳米颗粒为金属纳米颗粒和/或非金属纳米颗粒，所述金属纳米颗粒为金、银、铜、铁、镍、钙、锌的纳米颗粒中的一种或多种，所述非金属纳米颗粒为金、银、铜、铁、镍、钙、锌的氧化物纳米颗粒、碳纳米管或石墨纳米颗粒中的一种或多种。

其中，所述纳米颗粒的粒径在1-100nm之间，其在低熔点金属中所占的容积比例在0-5%之间。

一种制备本发明所述的复合相变储热材料的方法，其特征在于，将所述多孔材料通过挤压的方式嵌入工作容器内，所述多孔材料与工作容器内壁面之间采用过盈配合；将所述低熔点液态金属从工作容器上方注入所述多孔材料，低熔点液态金属通过重力作用填充多孔材料。所述过盈配合为具有过盈的配合。具体操作中，所述多孔材料的外径大于所述工作容器的内径0-1.0mm。

其中，将低熔点液态金属注入多孔材料的过程中，在室温下操作或控制操作温度为液态金属的熔点或液相线温度以上5-20℃。若液态金属的熔点或液相线温度在室温以上，控制操作体系温度为液态金属的熔点或液相线温度以上5-20℃。

将所述低熔点液态金属注入所述多孔材料时，控制预留工作容器上部3-5%的容积，以免低熔点液态金属凝固时工作容器发生胀裂。

低熔点液态金属灌注操作结束后，还包括对整个系统进行超声振动或机械振动处理的步骤，和/或可根据需要进行补充灌注。

本发明的有益效果在于：

本发明所提供的结合高热导率多孔材料和低熔点金属的新型复合相变储热材料具有如下优点：

1.当量热导率高。不论是多孔材料，还是低熔点金属或者纳米金属流体，其热导率都普遍要比有机材料和无机材料高一到两个数量级，因而本发明所提供的新型复合相变储热材料具有极高的冻融速率，能够快速完成吸热和放热过程。

2.储能密度大。虽然单位质量液态金属的相变潜热比传统相变材料的小，但是其密度却比传统相变材料的大好几倍，所以本发明所提供的新型复合相变储热材料仍然具有较大的储能密度。