[发明专利]泡沫碳化硅/金属基光热复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳能利用技术领域，特别涉及一种泡沫碳化硅/金属基光热复合材料。

技术背景

泡沫碳化硅是一种多孔轻质固体材料，具有耐高温、低膨胀系数、比表面积大的特点，并显示出优良的机械性能、导热性能和耐腐蚀性能。泡沫碳化硅微孔分布较均匀，根据不同的制备方法和工艺，其孔隙率为30-90%，平均孔径为2nm-5mm，开孔率也可根据需要在0至100%间进行调整。与一般泡沫陶瓷材料相比，泡沫碳化硅有着非常优异的热导率，其内部三维立体骨架结构的热导率可高达100W/mK。因此泡沫碳化硅除了耐高温性以外还具有良好的抗热冲击性，一般被用于高温过滤领域。

泡沫碳化硅拥有非常高的热吸收率，其具有的Si-C键是目前热吸收率最高的几种化学键之一，有着高达0.85以上的理论热吸收率。虽然泡沫碳化硅是多孔结构，Si-C键的密度并不高，但其多孔结构在另一方面却可以一定程度地提高泡沫碳化硅的热吸收率，不同孔隙率、不同孔径的泡沫碳化硅在不同温度下的实际热吸收率可达0.65-0.85。光热材料是光热领域的核心材料，其热吸收率和热导率决定着光热转换效率。泡沫碳化硅高热辐射率、高工作温度、高热导率和低密度的特点使得泡沫碳化硅在光热转换尤其是光热发电领域很有优势，并且已经在一些光热领域投入使用。

目前泡沫碳化硅光热材料仍然存在诸多技术问题，这其中最主要的原因就是泡沫碳化硅一般都是直接用来加热非完全封闭的气体介质，该技术方法很难有效利用光热发电寻求更高转换效率所必须的真空技术、介质压缩等技术，所以造成其光热转换效率难以大幅提高。比如专利CN101122425A和专利CN102650469A分别提出了一种碳化硅泡沫陶瓷太阳能空气吸热器，均利用泡沫碳化硅吸收太阳能并直接加热空气形成光热转化，但若要进行满足电厂需要的高效光热发电就必须在该装置前端增加真空区域降低热量流失并同时对该非高压的高温气体进行压缩从而驱动电机，而该专利很难与上述技术手段结合，所以只能通过进一步加热其它工质从而实现光热发电，在此过程中浪费了大量能量导致光热发电转化率难以达到令人满意的结果。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提供了一种泡沫碳化硅/金属基光热复合材料及其制备方法，本发明的复合材料既具有表面泡沫碳化硅提供的很高的热吸收率，又兼顾了复合材料的导热性。并且，金属基材料使得泡沫碳化硅/金属基光热复合材料易于对工质进行加热和压缩，还可简单有效地与真空技术相结合，进一步提高光热发电的效率。

本发明提供的一种泡沫碳化硅/金属基光热复合材料，其特征在于：该复合材料主要由作为基底的金属材料，和在金属材料的一个表面或两个表面结合一层作为表面材料的泡沫碳化硅构成，该泡沫碳化硅与金属材料基底通过其界面直接相连接，或泡沫碳化硅与金属材料基底通过过渡材料相连接。

所述的金属基材料可为Al基、Fe基、Ni基、Co基和Cu基材料中的一种。

所述的泡沫碳化硅孔隙率为30%-80%，开孔率大于50%。

所述的泡沫碳化硅热导率大于100W/mK。

本发明还提供一种制备上述泡沫碳化硅/金属基光热复合材料的方法，其特征在于：先将金属材料基底通过炉内加热、火焰加热或辐射加热方式使表面软化或熔化，再将软化或熔化的金属材料基底表面直接与泡沫碳化硅一表面进行复合成一整体。

本发明还提供第二种制备上述泡沫碳化硅/金属基光热复合材料的方法，其特征在于：先在金属基材料基底表面与泡沫碳化硅表面之间涂覆一层作为过渡材料的高温有机聚合物母体材料(比如环氧改性高温树脂、塑料、沥青、胶体等)，再通过加热使该过渡材料软化及固化(根据选用的具体材料确定)，将泡沫碳化硅与金属基材料相连接成一体。

本发明还提供第三种制备上述泡沫碳化硅/金属基光热复合材料的方法，其特征在于：先在金属材料基底与泡沫碳化硅表面之间覆盖一层作为过渡材料的纳米金属粉末（选取熔点温度低于金属基材料的纳米金属粉末即可）；再通过加热使该纳米金属粉末软化或熔化，将泡沫碳化硅与金属基材料相连接成一整体。

由于纳米金属粉末表面能非常高，所以其熔点大幅低于块体材料，这就保证金属基板在加热过程中几乎不受影响。

本发明的工作原理：