一种热功能复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种热功能复合材料及其制备方法和应用，所述复合材料包括相变材料和可取向的导热填料，其中，相对于100重量份的相变材料，可取向的导热填料为0.01‑60重量份。上述复合材料，在相变温度以上时，通过施加外力使导热填料垂直于热流方向取向，测试得到垂直于取向方向的热导率；然后，改变外力方向，使填料平行于热流方向取向，之后冷却至相变温度以下，测试沿取向方向的热导率，测定的热导率可逆突变倍数可以高于5倍，可以应用在热能量存储、热能控制(如热智能开关)、建筑节能、微电子器件的散热、传感、声子器件、声子电脑等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种热功能复合材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及热功能复合材料领域，具体涉及一种磁调控的热导率可逆突变的固-液相变复合材料。
技术介绍
热能是一种丰富的能源，世界上90％的能量产生都与热能流动相关，而遗憾的是其中只有13％可以有效利用，大部分热能以废热向环境扩散的形式消耗。如何提高热能的利用效率是科学家们一直关注的焦点。热开关，一般由具备热导率突变性能的材料制备，即材料的热导率在某一温度会发生突变，且这种变化是可逆的。目前，纯相变材料的热导率，在固-液相变时会发生2-3倍左右的突变，作为温度调控和热开关使用，突变倍数过小。有文献报道，相变材料与非取向导热填料复合后，热导率突变倍数有了小幅度的提高，大约会发生4倍左右的突变，但仍无法满足温度调控、热开关、建筑节能、热隐身、辐射探测、量子信息、热存储、传感等领域对热导率可逆突变材料的使用需求。
技术实现思路
本专利技术人研究发现，在相变材料中加入可取向的导热填料时，导热填料取向可以大幅度地放大热导率突变的效果；其中，可取向的导热填料是指在外力作用(如磁场作用)下可取向的导热填料，所述取向是指其热导率沿取向方向高于其它方向。研究发现，可取向的导热填料在外力作用(如磁场作用)下产生热导率可逆变化(可称为取向致热导率可逆变化)，同时，相变材料在温度变化时产生热导率可逆变化(可称为热致热导率可逆变化)，而这两种热导率可逆变化会发生协同作用，获得热导率突变倍数更大的复合材料，从而可以大幅度地放大复合材料热导率突变的效果。基于此发现，完成了本专利技术。本专利技术的第一个方面是提供一种热功能复合材料，所述复合材料包括相变材料和可取向的导热填料，其中，相对于100重量份的相变材料，可取向的导热填料为0.01-60重量份。优选地，相对于100重量份的相变材料，可取向的导热填料为0.1-50重量份，还优选为0.5-30重量份。本专利技术的复合材料，所述可取向的导热填料在外力作用(如磁场作用)下在所述相变材料中取向时，不发生明显团聚。根据本专利技术，所述可取向的导热填料选自磁场作用下可取向的导热填料。本专利技术中，“磁场作用下可取向”，是指该填料具有磁响应性，即在磁场作用下可取向，所述取向是指其热导率沿取向方向高于其它方向。这样，获得的复合材料为磁调控的热导率可发生可逆突变的、热导率突变倍数显著增加的固-液相变复合材料。根据本专利技术，所述可取向的导热填料选自下述的磁场作用下可取向的导热填料的一种或多种：本征具有磁响应的导热填料、磁化的棒状金属导热填料、磁化的陶瓷导热填料、磁化的片状导热填料和磁化的管状导热填料。所述本征具有磁响应的导热填料选自本征具有磁响应的四氧化三铁颗粒、钴的氧化物颗粒、镍的氧化物颗粒等。所述磁化的棒状金属导热填料选自磁化的铜纳米线、磁化的金纳米线、磁化的银纳米线等。所述磁化的陶瓷导热填料选自磁化的氧化铝晶须、磁化的碳化硅晶须等。所述磁化的片状导热填料选自磁化的微米和/或纳米氮化硼、磁化的石墨烯、磁化的石墨等。所述磁化的管状导热填料选自磁化的单壁碳纳米管、磁化的双壁碳纳米管、磁化的多壁碳纳米管等。优选地，对于磁化的棒状金属导热填料，其长径比为2-1000；对于磁化的片状导热填料，其直径为1-50微米，厚度为0.2-100纳米；对于磁化的管状导热填料(如磁化的单壁碳纳米管、磁化的双壁碳纳米管、磁化的多壁碳纳米管等)，其长径比为：2-1000。根据本专利技术，所述相变材料选自下述相变材料的一种或多种：烷烃类化合物或其混合物、有机酸类化合物、醇类化合物、二胺类化合物、酯类化合物。优选地，所述烷烃类化合物或其混合物选自高级脂肪烃或其混合物。优选地，所述醇类化合物选自聚乙二醇。优选地，所述二胺类化合物选自丁二胺；所述酯类化合物选自硬脂酸丁酯；所述高级脂肪烃混合物选自石蜡(优选的，熔点为20-60℃的石蜡)；所述聚乙二醇的分子量为500-20000(优选为2000-10000，还优选为3000-6000)。根据本专利技术，所述热功能复合材料为热调控复合材料，具体为一种在磁场作用下热导率可逆突变的固-液相变复合材料。本专利技术的第二个方面是提供一种上述热功能复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：将100重量份的固体相变材料加热至液体状态，控制温度在所述相变材料的相变温度以上，搅拌下加入0.01-60重量份的可取向的导热填料，连续搅拌至混合均匀后，获得所述复合材料。本专利技术的第三个方面是提供一种提高相变材料的热导率突变倍数的方法，其包括以下步骤：S1.在所述相变材料中加入可取向的导热填料，其中，相对于100重量份的相变材料，可取向的导热填料的加入量为0.01-60重量份。所述方法进一步包括以下步骤：S2.将添加了可取向的导热填料的相变材料置于外力作用(如磁场)中，在外力作用(如磁场作用)下，可取向的导热填料实现取向，导致热导率突变倍数的提高。步骤S1还包括：加入可取向的导热填料后，超声搅拌1-60分钟，得到所述导热填料在相变材料中均匀分散的复合材料。步骤S2具体包括：将步骤S1获得的复合材料加热到相变温度以上，在该温度下，将复合材料置于外力作用(如磁场)中，在外力作用(如磁场作用)下，可取向的导热填料实现垂直于热流方向取向，测定沿垂直取向方向的热导率；然后，改变外力作用(如磁场)方向，使导热填料实现沿平行于热流方向取向，之后降温至相变温度以下，测沿取向方向的热导率；两个热导率的比值(高值/低值)为所述复合材料的热导率突变倍数。优选地，所述磁场的磁场强度在0-1000mT且不包括0，优选地，磁场强度介于10-500mT之间，还优选地，介于20-300mT之间。本专利技术的第四个方面是提供一种热能控制装置，其采用上述的热功能复合材料。所述热能控制装置例如为热智能开关。本专利技术的第五个方面是提供一种上述热功能复合材料的应用，所述热功能复合材料可应用于热能量存储、热能控制(如热智能开关)、建筑节能、微电子器件的散热、传感、声子器件、声子电脑等领域。本专利技术的有益效果：本专利技术提供一种热功能复合材料，所述复合材料具有显著提高的热导率突变的效果(其热导率突变倍数高于5，甚至可以高于10)，用于热能控制时(如作为热智能开关)，温度调控能力更强，调控的速度更快；具备所述性能的复合材料在热能量存储、建筑节能、微电子器件的散热、传感、声子器件、声子电脑等领域也具备应用价值。具体实施方式在本专利技术的一种实施方式中，所述可取向的导热填料选自磁场作用下可取向的导热填料，可采用下述方法制备：将非取向的导热填料分散于水中，然后加入聚苯乙烯磺酸钠，通过酸度的调节，控制聚苯乙烯磺酸钠吸附在所述非取向的导热填料上；经洗涤、干燥后，将吸附有聚苯乙烯磺酸钠的导热填料再重分散于水中，加入氯化亚铁和三氯化铁，搅拌下加入1,6-己二胺，得到暗褐色悬浮液，经洗涤、干燥后，得到本专利技术的磁场作用下可取向的导热填料。所述非取向的导热填料例如选自棒状金属导热填料、陶瓷导热填料、片状导热填料和管状导热填料。所述棒状金属导热填料选自铜纳米线、金纳米线、银纳米线等。所述陶瓷导热填料选自氧化铝晶须、碳化硅晶须等。所述片状导热填料选自微米和纳米氮化硼、石墨烯、石墨等。所述管状填料选自单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管等。下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热功能复合材料，其特征在于，所述复合材料包括相变材料和可取向的导热填料，其中，相对于100重量份的相变材料，可取向的导热填料为0.01‑60重量份。优选地，相对于100重量份的相变材料，可取向的导热填料为0.1‑50重量份，还优选为0.5‑30重量份。

【技术特征摘要】
1.一种热功能复合材料，其特征在于，所述复合材料包括相变材料和可取向的导热填料，其中，相对于100重量份的相变材料，可取向的导热填料为0.01-60重量份。优选地，相对于100重量份的相变材料，可取向的导热填料为0.1-50重量份，还优选为0.5-30重量份。2.根据权利要求1所述的热功能复合材料，其特征在于，所述可取向的导热填料选自下述的磁场作用下可取向的导热填料的一种或多种：本征具有磁响应的导热填料、磁化的棒状金属导热填料、磁化的陶瓷导热填料、磁化的片状导热填料和磁化的管状导热填料。优选地，所述本征具有磁响应的导热填料选自本征具有磁响应的四氧化三铁颗粒、钴的氧化物颗粒、镍的氧化物颗粒等。优选地，所述磁化的棒状金属导热填料选自磁化的铜纳米线、磁化的金纳米线、磁化的银纳米线等。优选地，所述磁化的陶瓷导热填料选自磁化的氧化铝晶须、磁化的碳化硅晶须等。优选地，所述磁化的片状导热填料选自磁化的微米和/或纳米氮化硼、磁化的石墨烯、磁化的石墨等。优选地，所述磁化的管状导热填料选自磁化的单壁碳纳米管、磁化的双壁碳纳米管、磁化的多壁碳纳米管等。3.根据权利要求2所述的热功能复合材料，其特征在于，对于磁化的棒状金属导热填料，其长径比为2-1000；对于磁化的片状导热填料，其直径为1-50微米，厚度为0.2-100纳米；对于磁化的管状导热填料(如磁化的单壁碳纳米管、磁化的双壁碳纳米管、磁化的多壁碳纳米管等)，其长径比为：2-1000。4.根据权利要求1-3任一项所述的热功能复合材料，其特征在于，所述相变材料选自下述相变材料的一种或多种：烷烃类化合物或其混合物、有机酸类化合物、醇类化合物、二胺类化合物、酯类化合物。优选地，所述烷烃类化合物或其混合物选自高级脂肪烃或其混合物。优选地，所述醇类化合物选自聚乙二醇。优选地，所述二胺类化合物选自丁二胺；优选地，所述酯类化合物选自硬脂酸丁酯；优选地，所述高级脂肪烃混合物选自石蜡(优选的，熔点为20-60℃的石蜡)；优选地，所述聚乙二醇的分子量为500-20000(优选为200...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑鲲，韦宝杰，马永梅，曹新宇，张京楠，尚欣欣，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11