[发明专利]一种快速低成本制备石蜡/石墨相变复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于一种低成本制备兼具导热性能优异且储热能力强的石蜡/石墨相变复合材料的方法。

背景技术

在热能的储存和利用过程中，常常存在供应时间和空间上不匹配的矛盾，如太阳能的间歇性、电力负荷的峰谷差、周期性工作的大功率电子散热器件的散热和工业余热利用等。相变储能材料是通过材料发生相变时吸收或释放大量热量来实现能量储存和利用，可有效解决能量供求在时间和空间上不匹配的矛盾。相变储能材料按照相态的变化方式可分为固-液相变、固-固相变、液-气和固-气相变四类。后两类材料在相变过程中有大量的气体产生、体积变化很大，在实际应用中很少采用。固-固相变材料则存在相变温度高、相变焓低且成本较高的缺点，其应用也受到很大限制。固-液相变材料由于具有成本低、相变潜热大、相变温度范围宽以及无过冷或析出现象等诸多优点，是目前国内外应用最多的一类相变材料。但相变储能材料自身都存在导热率低(一般在1W/m.K以下)，传热性能差的问题，这必然影响能量储放速率。因此，需将相变储能材料与导热性能优异的材料进行复合，从而实现对相变储能材料进行强化传热的目的。

为此，国内外诸多科技工作者针对将固-液相变材料与导热性能优异的材料复合方面进行了大量的研究工作。将导热性能较好的金属颗粒或粉末(如Ag、Al和Cu粉)加入到相变材料中改善相变材料的导热性能是一种较为简单实用的方法。美国科学家在太阳能热水器中的相变储能材料中加入Al粉后发现，当Al粉的质量含量达到50％以上时，热传导效率提高了近4倍多。Zeng等人系统考察了Ag颗粒的添加对相变材料十四烷导热性能的影响。研究表明，随着Ag颗粒质量的增加，复合材料的导热系数提高，但导致材料的潜热下降；此外，由于金属一般具有较高的密度，引发整个蓄热系统的重量增加，实用性变差。近年来新型发展起来的一类材料是将高导热金属泡沫、石墨泡沫和膨胀石墨等多孔材料与相变材料复合，来提高相变材料的热导率和换热效率。但是，金属泡沫材料易腐蚀、密度高，且与相变材料相容性差，从而限制了其应用。质轻且导热性能较好的多孔炭材料如石墨泡沫、膨胀石墨具有热导率高、密度低、化学稳定性强以及与相变材料相容性好等诸多优点，是相变材料理想的储存载体。仲亚娟等人(Heat transfer enhancement of paraffin wax using graphite foam for thermal energy storage.Zhong Y J,et al.Solar Energy Materials & Solar Cells,2010,94:1011-1014)采用石墨泡沫吸附石蜡制备了石蜡/石墨泡沫相变复合材料。结果表明：石墨泡沫的孔结构和导热系数是影响最终复合材料热性能的重要因素。与石蜡的导热系数(0.3W/m.K)相比,石蜡/石墨泡沫复合材料的导热系数提高了近50倍，高达14.6W/m.K。但石墨泡沫一般经沥青发泡、高压炭化和高温石墨化(2500℃以上)等工序来进行制备，不仅对设备要求高(高温高压)、生产周期长且能耗高(成本大)而限制其广泛应用。仲亚娟等人(Heat transfer enhancement of paraffin wax using expanded nature graphite for thermal energy storage.Carbon,2010,48:300-304)还利用可压缩的膨胀石墨(CENG)为储存载体，采用真空浸渗的方式与相变材料石蜡进行复合，制备了石蜡/CENG复合材料。与石蜡的导热系数相比,石蜡/CENG复合材料的导热系数提高了25倍以上，但由于CENG自身的导热系数较低，最终复合材料的导热系数限制在50W/m.K以下，很难满足在一些特殊散热领域内的使用要求。此外，在CENG制备过程中，所用原料天然石墨须经过酸化、水洗和高温膨化(900℃左右)等工序，不仅生产周期长且有大量废气和废水产生，对环境造成严重污染。

发明内容

本发明的目的是提供一种成本低、无污染物产生、导热性能优异且储热能力高的石蜡/石墨相变复合材料的制备方法。

本发明材料制备过程中所用的原料为天然鳞片石墨和石蜡，其中天然鳞片石墨为导热介质，石蜡既为相变载体也是成型用粘结剂。上述两种原料经均匀混合后通过热压成型工艺完成石蜡/石墨相变复合材料的制备。本发明提出的石蜡/石墨相变复合材料，其制备方法包括如下步骤：