[发明专利]一种无机非金属包壳高温相变储热微胶囊及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及相变储热材料技术领域，更具体地涉及一种无机非金属包壳高温相变储热微胶囊及其制备方法。

背景技术

能量的储存研究是能源安全与可持续利用的关键问题，相变储热技术能够有效解决能源需求和供应在时间和空间上的不匹配，能够广泛应用于太阳能热利用、核能热利用、工业余热回收、建筑保温制冷等领域。

相变材料具有独特潜热性能，在其物相变化过程中，可以从环境吸收热量或向环境释放热量，从而达到热量储存、转移和释放的目的。利用此特性不仅可以提高能源利用率，还可以利用其相变时温度近似恒定的特征，用于调控环境温度。

常见的相变材料包括固-固相变储热材料和固-液相变储热材料。相比于固-固相变储热材料，金属的固-液相变储热材料具有价廉易得、储热密度高，热导率大等优点。但是固-液相变储热材料在液相时易泄漏，对环境有一定毒害作用，且易腐蚀封装容器。

将金属固-液相变储热材料封装在耐高温、耐腐蚀的微胶囊中是一种增加固-液相变储热材料的安全性的有效办法。已有一些工作提出了金属包壳的制备方法，例如专利CN103273062B，文章Guocai Zhang,Jianqiang Li,et al.Solar Energy Materials&Solar Cells 2014,128,131-137，其均公开了金属核芯/金属包壳的相变储热胶囊。但是，金属包壳虽然有较高的热导率，耐酸碱和耐氧化性能差，不适用于腐蚀和氧化气氛，且其工作温度受限于金属包壳熔点温度的限制。

因此，为了提高金属固-液相变储热材料的安全性并扩大其使用环境，需要研发既能有效封装金属固-液相变储热材料，又能耐腐蚀、耐氧化和耐高温的相变储热微胶囊。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的微胶囊耐酸碱和耐氧化性能差，不适用于腐蚀和氧化气氛的问题，本发明旨在提供一种无机非金属包壳高温相变储热微胶囊及其制备方法。

本发明提供一种无机非金属包壳高温相变储热微胶囊，包括金属相变材料微球、疏松热解炭层和致密热解炭层，其中，疏松热解炭层包围金属相变材料微球设置，而致密热解炭层包围疏松热解炭层设置，该金属相变材料微球的直径为500～2000μm，该疏松热解炭层的密度为0.5-1.5g/cm³，该致密热解炭层的密度为1.8-2.0g/cm³。

其中，金属相变材料(也被称为高温相变金属材料)微球形成为微胶囊的核芯，疏松热解炭层提供初步封装，而致密热解炭层形成为无机非金属包壳，该包壳的厚度优选为20～100μm。

密度为0.5-1.5g/cm³的疏松热解炭层具有疏松多孔的结构、较低的机械强度和较低的热膨胀系数，能够缓解相变过程中的热膨胀，其可以为金属相变材料在相变过程中发生的体积变化提供容纳空间，即可以容纳金属相变材料在相变后进入疏松热解炭层的空间中，从而减少其对致密热解炭层的应力，确保致密热解炭层的完整性。另外，该疏松热解炭层确保液态的金属相变材料不泄露，有利于致密热解炭层的沉积。进一步地，该疏松热解炭层对金属相变材料微球提供初步封装，防止更高温度下制备致密热解炭层时熔化变形。

密度为≥1.8g/cm³的致密热解炭层具有足够致密的结构，起着封装及传热的作用。

该微胶囊还包括包围致密热解炭层设置的最外层，该最外层为碳化硅层和/或碳化锆层和/或碳化锌层和/或碳化硼层。当致密热解炭层被最外层包围时，该致密热解炭层为最外层提供沉积基底；而且当高温包覆时，液态的金属相变材料首先与该致密热解炭层接触，防止液态的金属相变材料的泄露及其对最外层的侵蚀。其中，致密热解炭层和最外层形成为无机非金属包壳，该包壳的厚度优选为20～100μm，共同起到封装及传热的作用。应该理解，当微胶囊的无机非金属包壳仅为致密热解炭层时，其适用于非氧化工作环境，当微胶囊的无机非金属包壳包括致密热解炭层和碳化硅层(或碳化锆层或碳化锌层或碳化硼层)时，其适用于氧化工作环境，当微胶囊的无机非金属包壳包括致密热解炭层和碳化硅层和碳化锆层(或碳化锌层或碳化硼层)时，其适用于极高温度和氧化性的工作环境。优选地，该最外层材料优选为碳化硅或碳化锆，其具有良好的高温稳定性和抗氧化性能，其密度应≥95％理论密度，从而确保碳化硅或碳化锆层具有良好的热力学性能。优选地，最外层为复合层，如碳化硅/碳化锆复合材料。