[发明专利]一种金属/有机物复合中低温相变储能材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，涉及复合相变储能材料，特别是金属/有机物复合中低温相变储能材料及其制备方法。

背景技术

相变材料相变过程中，释放/吸收潜热，可用作热能储存，解决能量供求的时间及空间上不足，与显热储能相比，相变储能具有能量密度高，过程稳定，温度恒定等特点。在太阳能利用、建筑节能、预热及废热回收、航空航天及特种服饰等领域具有广泛应用的前景。

目前应用最广泛的有机相变储能材料是石蜡和无机相变储能材料为熔融盐，石蜡主要用于50℃-100℃左右的低温储热领域，熔融盐主要用于100℃-400℃左右的中温储热。虽然石蜡和熔融盐等相变储能材料具有储热密度高、储热能力强、热稳定性高、价格低廉等优点，但石蜡极低的导热系数阻碍了热能存储及释放的速率，成为推广应用的最大阻碍，熔融盐在高温条件下的腐蚀性成为应用过程中的较大难题。

国内外学者致力于增强有机相变材料导热性能的研究。采取的主要方法有：

（1）在相变材料中添加具有较高导热系数材料，例如铜粉、铝粉、碳粉和纳米碳管等以强化传热功能。Khan等研究了在相变材料中加入铝、铁、铜、铝硅合金和铅基复合物时相变材料在固化过程中的传热特性，指出固液界面的移动速率很大程度上取决于加入物的导热系数与相变材料熔化后的导热系数的比值[Numerical Heat Transfer, 1994, V25: 209-221]。Eman-Bellah 等研究了以石蜡为相变材料的太阳能贮热系统，在其中添加铝粉末来提高导热系数。研究结果表明，加入铝粉末后，系统的贮热与放热时间都有所缩短，系统性能得到了提升[Solar Energy, 2007, V81: 839-845]；

（2）将储能材料与纯导热材料进行复合制备相变材料，复合材料中导热材料只强化传热，加快储/释能过程。常用的导热材料有多孔石墨和金属、膨胀石墨、泡沫金属等导热支撑材料，将储能材料熔融浸入或真空注入到支撑材料内部，制备成复合相变储能材料。Xavier 等以石墨为支撑材料，将石蜡吸附在具有多孔结构的石墨基体中，构成石墨基体/石蜡复合相变材料，导热系数从纯石蜡的0.24W/(m·K)提高到了4-70W/(m·K)[ International Journal of Heat and Mass Transfer, 2001, V44:2727-2737]。Sari 等制备了石蜡/石墨定形复合相变材料，研究表明复合相变材料的潜热与纯石蜡相当[Applied Thermal Engineering. 2007, V27: 1271-1277]。

以上两种方法均可较大程度提高储能材料的导热性能，但也存在一些不足：

（1）添加或复合的导热材料仅有导热功能，占据一定储能材料比例减少储能密度，储能容量会随着导热材料添加或复合的增加而减少，导致储能系数的储热容量与导热性能相互制约，不可兼得；

（2）采用添加金属粉末或纳米导热材料，储能材料与导热材料密度不一，使用过程中必须添加分散剂使得导热材料充分分散，但随着储能-释能过程循环，分散剂功能会逐步失效，产生储能材料与导热材料因密度不一而分层，导热性能逐步减弱，添加的分散剂也降低了储能密度，减少储能材料相变潜热，相比纯相变材料减少约10%-30%左右；

（3）采用导热材料与储能材料复合时，通常将相变材料熔融后，采用浸入或真空注入的方式与起导热功能的支持材料复合，受限于导热支撑材料孔隙率与储能材料的运动粘度，储能材料对导热材料无法实现100%注入，进一步降低了储能密度，减少储能材料的相变潜热相比纯相变材料减少约5%-15%左右。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种金属/有机物复合中低温相变储能材料及其制备方法，要解决的技术问题是既提高有机储能材料导热性能又减少复合材料储能容量降低，实现有机储能材料导热性能增强、储热容量提升的目的。

为解决上诉技术问题，本发明的技术方案为：探索储能—导热工质对，使得储能系统的导热性与储能性能完美匹配，实现储热容量与导热性能兼得，导热-储能工质对必须具有以下特点：

1. 导热材料在储能过程中既为导热材料，又会发生相变参与储能过程；

2. 导热材料与储能材料应具有相同的相变温度，可实现储能过程相变同步，储能均匀；

3. 导热材料与储能材料同时还需具有相同的固液密度，可实现任何储能/释能固-液转变过程材料均匀互混。