[发明专利]一种超轻陶瓷泡沫复合储热材料及制备方法

说明书

本发明公开了一种超轻陶瓷泡沫复合储热材料及制备方法，由碳化硅泡沫陶瓷与掺杂纳米颗粒的相变材料组成；相变材料负载于碳化硅泡沫陶瓷的孔隙中。碳化硅泡沫陶瓷是在金属镍泡沫模板上进行化学气相沉积生长石墨，并利用高温硅蒸汽法对提取的石墨中间体进行化学反应制备而成，相变材料是将纳米颗粒均匀分散在无机盐或多元共晶盐溶液中进行超声处理并烘干后制备得到的。采用溶液辅助浸渍法和真空浸渍法将相变材料紧密地填充于陶瓷泡沫的孔隙中，即得超轻陶瓷泡沫复合储热材料。本发明实现了复合材料导热系数与储热密度的同时提升，可以采用不同形态的镍模板得到相应形态的碳化硅泡沫，制备方法简单，成本低，可调控性范围广，实用性高。

技术领域

本发明属于复合储热材料，尤其涉及一种超轻泡沫陶瓷、纳米颗粒与相变材料复合的储热材料及制备方法。

背景技术

相变材料在熔点附近温度不会发生显著的变化，但能吸收大量的热，并且在凝固时能释放出同等的热量，因而受到了广泛关注。传统相变材料虽然能够存储大量热，但是导热系数非常低（通常在0.1~1W/mK之间），导致储热系统在工质与储热材料的热交换过程中热传输效率低，能量损失严重，不能直接规模化、产业化。通过将一定体积分数的（通常在20%~50%之间）高导热材料多孔骨架嵌入到相变材料中制备成复合材料可以增强其导热系数。现有的高导热骨架以金属、陶瓷等为主要材料，这些材料导热系数高，但在工作温度范围内不发生相变，使得复合材料的潜热大幅低于纯相变材料，另外骨架材料的比热容相比也更小，导致复合材料的显热也大大降低，这两个的缺陷使骨架复合材料的储热密度严重受限。

发明内容

发明目的：本发明的第一目的是提供一种储热密度与导热率同时提高的超轻陶瓷泡沫复合储热材料；本发明的第二目的在于提供一种超轻泡沫陶瓷-纳米颗粒-相变材料复合的储热材料制备方法。

技术方案：本发明的一种超轻陶瓷泡沫复合储热材料，由碳化硅泡沫陶瓷与掺杂纳米颗粒的相变材料组成；所述相变材料负载于碳化硅泡沫陶瓷的孔隙中，所述碳化硅泡沫陶瓷的孔隙率为92~99%，所述相变材料的负载率为90~99%，所述纳米颗粒为相变材料总质量的0.5~1.5%。

进一步的，所述相变材料为硝酸锂和氯化钠组成的共晶盐，其中，氯化钠的摩尔分数为5.9~17.2 mol%，硝酸锂和氯化钠的摩尔分数之和为100%。

进一步的，所述纳米颗粒为Al₂O₃、AlN、CuO、MgO、SiC和SiO₂中的任一种，纳米颗粒直径在1~100nm之间。

本发明还保护一种超轻陶瓷泡沫复合储热材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）制备碳化硅泡沫陶瓷；

（2）制备相变材料：取硝酸锂、氯化钠和纳米颗粒溶解与水中进行超声分散，随后将均匀分散的溶液加热至水分蒸发，烘干后得到相变材料；

（3）采用溶液浸渍和真空浸渍联合的方式将相变材料填充在碳化硅泡沫陶瓷的孔隙中，得到复合储热材料。

进一步的，步骤（1）中的碳化硅泡沫陶瓷包括以下制备步骤：

（11）取金属镍泡沫板置于含H₂的混合气体中进行还原去除表面氧化层；

（12）将还原后的金属镍泡沫板置于含CH₄的混合气体中进行化学气相沉积，在金属镍泡沫板表面并生成石墨；

（13）将步骤（12）得到的产物置于蚀刻剂中进行刻蚀，去除金属镍，得到石墨泡沫；

（14）将硅粉置于石墨泡沫底部，石墨泡沫与硅粉不接触，进行硅蒸发得到碳化硅泡沫陶瓷。

进一步的，所述步骤（14）中，硅粉与石墨泡沫的质量比为2.4~3：1，蒸发温度为1600~1800℃，蒸发时间为5~6h。