[发明专利]一种具有光热转换功能的相变复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有光热转换功能的相变复合材料及其制备方法，属于相变储能和能量转化交叉领域。本发明首次将Ti₂O₃纳米粒子与储热相变材料结合制备多功能相变复合材料，以期在相变储热和控温功能的基础上赋予其光热转化性能，提供一种易于裁剪加工、外观尺寸可控、轻质柔性同时具有光热转化性能的碳泡沫基相变复合材料。本发明相变复合材料因其三维多孔碳泡沫基体，体系可稳定地储存相变材料，且存储容量可调控，具有优异的光热转化和温度调节作用，可用于热能存储与释放、保温隔热、光热转化、军事装备的红外隐身与示假等方面。

技术领域

本发明属于相变储能和能量转化交叉领域，特别涉及一种具有光热转换功能的相变复合材料及其制备方法。

背景技术

相变储能技术是利用相变材料(PCM)对能量进行吸收、储存和释放的一项新型环保节能技术，既可以应用在太阳能存储、节能建筑、空调系统、废热回收等领域，以解决能源供给在时间和空间上失衡的矛盾，也可以利用其自身相变特性达到控温调温等目的，应用于国防军工、航空航天、医学领域、调温纺织品及电子器件等领域。

固-液相变材料具有较高的储能密度，较大的相变潜热，良好的化学稳定性，无毒、无腐蚀性以及在发生相变时维持温度稳定等优点。然而，固-液相变材料存在的固有缺陷(如传热速率低以及在熔融过程中体积变化大、易泄露等问题)限制了它的直接应用。为了克服这些固有的问题并改善热物理性能，近年来，利用核壳结构和多孔约束等策略有效地将PCM封装在微米或纳米空间中的方法得到了广泛的应用。核壳结构相变复合材料多采用有机物或无机物为壳材、PCM为芯材，通过原位聚合、界面聚合、悬浮聚合等方法合成相变微胶囊，该方法可以有效防止PCM在相变过程中的泄漏，但PCM的包覆率和热效率受限于复合材料的壳材。

相比于核壳结构，多孔材料对吸附的相变材料的约束主要依靠纳米或微米级孔隙的限制和毛细效应，因此采用合适的多孔材料对PCM进行约束更为便捷，且三维多孔结构可以为相变材料的存储提供足够的空间，保证相变复合材料较高的热容量。碳基多孔材料是一种由无定形碳或石墨组成的具有三维网状结构的轻质多孔材料，具有多孔网状结构，比表面积大，结晶度高，导电和导热性好、疏水亲油等特点，其微孔的大小可以通过对制备工艺的改变来进行调节控制，此外还具有较高的化学稳定性和较强的结构强度。与传统的复合材料相比，碳泡沫特殊的三维结构、相对较小的密度减轻了材料质量，是一种理想的基体材料。

太阳能作为最丰富、可再生和环境友好的能源，最有可能成为传统化石燃料的替代品。然而，利用间歇性和不连续的太阳辐射能也是一个严峻的挑战。利用新型相变复合材料进行太阳能转换是解决时间和空间不连续性的有效方法。然而，单纯PCMs的光吸收能力较弱，限制了其在直接能量转换中的应用。

目前研究者主要利用具有高导电性和优良的光吸收性能碳质材料如碳纳米管、石墨烯及化学气相沉积法获得的分级多孔材料等为光吸收体。其与PCMs相关的光热转换在用于实际应用的先进能量转换装置和系统的合理设计中还未有成熟报道。因此，开发一种新型的、具有较好相变储热和控温功能，实现较佳的光热转化性的材料是有非常大的前景的。

发明内容

为了解决上述问题，本发明首次将Ti₂O₃纳米粒子与储热相变材料结合制备多功能相变复合材料，以期在其相变储热和控温功能的基础上赋予其光热转化性能。

根据Stefan-Boltzmann定律，控制物体表面温度能够有效降低目标红外辐射量，相变材料在国防军工中的应用形式主要是通过相变材料的相态变化储热或放热，并在一定时间内将目标物体的表面温度稳定在一定的范围之内，减小/增大与背景温度的差异，从而实现隐身/示假的目的。