一种泡沫金刚石增强石蜡相变储能材料及制备方法技术

一种泡沫金刚石增强石蜡相变储能材料及制备方法，所述相变储能材料包括表面强化的泡沫骨架、石蜡、阻燃剂及石蜡支撑材料；泡沫骨架表面强化层选自金刚石膜、石墨烯墙、碳纳米管墙、石墨烯包覆金刚石膜、碳纳米管包覆金刚石膜、碳纳米管/石墨烯包覆金刚石膜中的一种。本发明专利技术结构合理、导热系数高、性能稳定，通过表面修饰石墨烯或/和碳纳米管，进一步增加泡沫骨架的导热性能，有效提升现有储能材料的热传递效率。金刚石良好的化学惰性，可以有效避免金属骨架在相变材料中的腐蚀，既适用于有机类相变储能材料，又与无机水合盐类相变材料有极强的兼容性和适应性，适于高温、大功率、高能耗领域应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术公开了一种泡沫金刚石增强石蜡相变储能材料及制备方法；属于储能材料

技术介绍
随着世界经济的不断发展，能源短缺问题显得日益严重，可再生能源的储存、开发和利用逐渐成为世界关注的重点。能量储存不仅可以有效地降低总能量的耗散，提高整个系统的性能和可靠性，而且能减少不必要的燃料浪费，对环境与能量的可持续发展极为关键。在众多储能方法之中，相变材料作为一种清洁高效的热能储存材料而受到广泛关注，相变材料在使用过程中利用其固-液或固-固相变过程中恒定的相变温度和高潜热密度等优点实现能量的储存和利用，因而在太阳能利用、工业余热回收、建筑节能以及电力调峰等方面具有广阔的应用前景，是能源科学与材料科学领域中一个活跃的研究热点。固-液相变材料通常分为有机类和无机类。有机类相变材料常用的是石蜡，有机类相变材料一般不易出现过冷和相分离现象，材料的热化学性质稳定，腐蚀性小，毒性小且成本比较低廉。无机类相变材料最典型的是结晶水合盐，结晶水合盐是一种典型的中低温相变储能材料，当温度升高时，结晶水合盐脱出结晶水使盐溶解吸热。然而无论有机类还是无机类相变储能，其规模应用仍面临问题：几乎所有的相变材料都存在热导率低、相变过程中的传热性能差的问题。寻找合适的强化相变换热方式成为研究者们面临的重要挑战。一般来说，提高相变储热材料导热系数的方法主要包括两种:一是在换热器中采用金属翅片结构或蜂窝结构来扩展换热面积；二是在相变储热材料中添加高导热材料，如高导热金属颗粒、金属环、多孔金属材料、和多孔金属泡沫填料等。这些方法虽然都能提高相变材料的导热性能，但也明显地增加了储热系统的重量和体积，储热系统的储热密度也显著降低，且部分相变材料对金属材料存在严重的腐蚀性，因此限制了其实际应用。因此，制备出导热系数更高、储热密度更大且性能稳定的新型相变储热材料，已成为储热技术实际应用的关键。随着CVD技术的发展，泡沫金刚石制备已成为可能，将高质量，高导热性能的泡沫金刚石取代传统的泡沫金属骨架作为相变储能材料的导热填料，将会极大提高其导热性能和传热效率，为新型大功率相变储能材料应用提供新的契机。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术之不足而提供一种结构合理、导热系数高、性能稳定的泡沫金刚石增强石蜡相变储能材料及制备方法。本专利技术一种泡沫金刚石增强石蜡相变储能材料，所述相变储能材料包括表面强化的泡沫骨架、石蜡、阻燃剂及石蜡支撑材料，在由石蜡、阻燃剂、石蜡支撑材料构成的相变储能材料基体中镶嵌有表面强化的泡沫骨架；所述表面强化的泡沫骨架包括泡沫骨架、表面强化层；所述表面强化层选自金刚石膜、石墨烯墙、碳纳米管墙、石墨烯包覆金刚石膜、碳纳米管包覆金刚石膜、碳纳米管/石墨烯包覆金刚石膜中的一种。本专利技术一种泡沫金刚石增强石蜡相变储能材料，表面强化的泡沫骨架体积占相变储能材料基体体积的1％-80％。本专利技术一种泡沫金刚石增强石蜡相变储能材料，泡沫骨架与表面强化层之间设有改性层。本专利技术一种泡沫金刚石增强石蜡相变储能材料，所述的改性层为硅、铌、钽、镍、铂、铜、钨、钼、钛、银、铬中的一种或多种的复合；所述改性层改性方法包括电镀、化学镀、蒸镀、磁控溅射、化学气相沉积、物理气相沉积方法中的一种或复合。本专利技术一种泡沫金刚石增强石蜡相变储能材料，泡沫骨架的泡沫孔径为0.01-10mm，开孔率20-99.9％，泡沫孔洞均匀分布或随机分布；泡沫骨架为平面结构或三维立体结构。本专利技术一种泡沫金刚石增强石蜡相变储能材料，所述泡沫骨架选自泡沫金属骨架、泡沫陶瓷骨架或泡沫碳骨架中的一种；所述泡沫金属骨架选自泡沫镍、泡沫铜、泡沫钛、泡沫钴、泡沫钨、泡沫钼、泡沫铬、泡沫铁镍、泡沫铝中的一种；所述泡沫陶瓷骨架选自泡沫A12O3、泡沫ZrO2、泡沫SiC、泡沫Si3N4、泡沫BN、泡沫B4C、泡沫AlN、泡沫WC、泡沫Cr7C3中的一种。本专利技术一种泡沫金刚石增强石蜡相变储能材料，相变储能材料基体中石蜡、阻燃剂与石蜡支撑材料的重量份组成为：石蜡60～80份，阻燃剂10-30份，石蜡支撑材料10-20份；所述阻燃剂选自四氯双酚A、全氯戊环癸烷、多溴二苯醚类、溴代双酚A类、溴代高聚物中的一种；所述石蜡支撑材料包括高密度聚乙烯、聚丙烯中的一种。本专利技术一种泡沫金刚石增强石蜡相变储能材料的制备方法，包括下述步骤：第一步：将石蜡加热至100-180℃，充分融化后，将石蜡支撑材料和阻燃剂加入其中，搅拌，使其充分溶解，得到相变储能材料基体熔液；第二步：将表面强化的泡沫骨架放入相变储能材料基体熔液中，一起放入带有真空设备的管式炉中，设置炉温90-180℃，抽炉内真空至10Pa以下，对复合材料进行排气至无明显气泡冒出，随后向炉内通入空气、氮气、氩气中的一种，保温10-180分钟后，随炉冷却，得到泡沫金刚石增强石蜡复合材料。本专利技术一种泡沫金刚石增强石蜡相变储能材料的制备方法，表面强化的泡沫骨架表面金刚石膜的制备方法是：将泡沫骨架置于化学气相沉积炉中的旋转基台上；或对泡沫骨架表面种植籽晶后再置于化学气相沉积炉中的旋转基台上，然后进行金刚石层沉积，调节炉内气路分布、热丝排布及旋转基台的转速，含碳气体占炉内全部气体质量流量百分比为0.5-10.0％；生长温度为600-1000℃，生长气压103-104Pa；获得泡沫骨架内外表面均为大颗粒微米级金刚石膜层。本专利技术一种泡沫金刚石增强石蜡相变储能材料的制备方法，泡沫骨架置于化学气相沉积炉中的旋转基台上，在泡沫骨架两侧设置热丝，热丝距泡沫骨架距离为5-12mm，热丝间距为5-20mm；所述热丝为螺旋丝或直丝；、在泡沫骨架上下分别均匀设置多个进出气口，控制旋转基台自转速率为5-100r/min，获得泡沫骨架内外表面金刚石膜层厚度为0.5μm～1000μm，膜层中晶粒尺寸为1μm-200μm。本专利技术一种泡沫金刚石增强石蜡相变储能材料的制备方法，石墨烯包覆金刚石膜、碳纳米管包覆金刚石膜、碳纳米管/石墨烯包覆金刚石膜表面强化的泡沫骨架的制备方法是：沉积石墨烯或石墨烯包覆金刚石复合层：将泡沫基体或已沉金刚石膜层的泡沫基体置于化学气相沉积炉中，直接沉积石墨烯；沉积参数为：含碳气体占炉内全部气体质量流量百分比为5-80％；生长温度为400-1200℃，生长气压5-105Pa；等离子电流密度0-50mA/cm2；沉积区域中磁场强度为100高斯至30特斯拉；或在泡沫基体或已沉金刚石膜层的泡沫基体表面采用电镀、化学镀、蒸镀、磁控溅射、化学气相沉积、物理气相沉积中的一种方法在金刚石膜层表面沉积镍、铜、钴中的一种或复合改性层，再沉积石墨烯；得到石墨烯或石墨烯包覆金刚石膜表面强化的泡沫骨架；沉积碳纳米管或碳纳米管包覆金刚石复合层：将泡沫基体或已沉积金刚石膜层的泡沫基体置于化学气相沉积炉中，直接沉积碳纳米管；沉积参数为：含碳气体占炉内全部气体质量流量百分比为5-50％；生长温度为400-1300℃，生长气压103-105Pa；等离子电流密度0-30mA/cm2；沉积区域中磁场强度为100高斯至30特斯拉；或在泡沫基体或已沉金刚石膜层的泡沫基体表面采用电镀、化学镀、蒸镀、磁控溅射、化学气相沉积、物理气相沉积中的一种方法在沉积表面沉积镍、铜、钴中的一种或复合改性层，再沉积碳纳米管；得到碳纳米管或碳纳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种泡沫金刚石增强石蜡相变储能材料，其特征在于，所述相变储能材料包括表面强化的泡沫骨架、石蜡、阻燃剂及石蜡支撑材料，在由石蜡、阻燃剂、石蜡支撑材料构成的相变储能材料基体中镶嵌有表面强化的泡沫骨架；所述表面强化的泡沫骨架包括泡沫骨架、表面强化层；所述表面强化层选自金刚石膜、石墨烯墙、碳纳米管墙、石墨烯包覆金刚石膜、碳纳米管包覆金刚石膜、碳纳米管/石墨烯包覆金刚石膜中的一种。

【技术特征摘要】
1.一种泡沫金刚石增强石蜡相变储能材料，其特征在于，所述相变储能材料包括表面强化的泡沫骨架、石蜡、阻燃剂及石蜡支撑材料，在由石蜡、阻燃剂、石蜡支撑材料构成的相变储能材料基体中镶嵌有表面强化的泡沫骨架；所述表面强化的泡沫骨架包括泡沫骨架、表面强化层；所述表面强化层选自金刚石膜、石墨烯墙、碳纳米管墙、石墨烯包覆金刚石膜、碳纳米管包覆金刚石膜、碳纳米管/石墨烯包覆金刚石膜中的一种。2.根据权利要求1所述的一种泡沫金刚石增强石蜡相变储能材料，其特征在于，表面强化的泡沫骨架体积占相变储能材料基体体积的1％-80％。3.根据权利要求2所述的一种泡沫金刚石增强石蜡相变储能材料，其特征在于，泡沫骨架与表面强化层之间设有改性层。4.根据权利要求3所述的一种泡沫金刚石增强石蜡相变储能材料，其特征在于，所述的改性层为硅、铌、钽、镍、铂、铜、钨、钼、钛、银、铬中的一种或多种的复合；所述改性层改性方法包括电镀、化学镀、蒸镀、磁控溅射、化学气相沉积、物理气相沉积方法中的一种或复合。5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种泡沫金刚石增强石蜡相变储能材料，其特征在于，泡沫骨架的泡沫孔径为0.01-10mm，开孔率20-99.9％，泡沫孔洞均匀分布或随机分布；泡沫骨架为平面结构或三维立体结构。6.根据权利要求5所述的一种泡沫金刚石增强石蜡相变储能材料，其特征在于，所述泡沫骨架选自泡沫金属骨架、泡沫陶瓷骨架或泡沫碳骨架中的一种；所述泡沫金属骨架选自泡沫镍、泡沫铜、泡沫钛、泡沫钴、泡沫钨、泡沫钼、泡沫铬、泡沫铁镍、泡沫铝中的一种；所述泡沫陶瓷骨架选自泡沫A12O3、泡沫ZrO2、泡沫SiC、泡沫Si3N4、泡沫BN、泡沫B4C、泡沫AlN、泡沫WC、泡沫Cr7C3中的一种。7.根据权利要求6所述的一种泡沫金刚石增强石蜡相变储能材料，其特征在于，相变储能材料基体中石蜡、阻燃剂与石蜡支撑材料的重量份组成为：石蜡60～80份，阻燃剂10-30份，石蜡支撑材料10-20份；所述阻燃剂选自四氯双酚A、全氯戊环癸烷、多溴二苯醚类、溴代双酚A类、溴代高聚物中的一种；所述石蜡支撑材料包括高密度聚乙烯、聚丙烯中的一种。8.一种泡沫金刚石增强石蜡相变储能材料的制备方法，包括下述步骤：第一步：将石蜡加热至100-180℃，充分融化后，将石蜡支撑材料和阻燃剂加入其中，搅拌，使其充分溶解，得到相变储能材料基体熔液；第二步：将表面强化的泡沫骨架放入相变储能材料基体熔液中，一起放入带有真空设备的管式炉中，设置炉温90-180℃，抽炉内真空至10Pa以下，对复合材料进行排气至无明显气泡冒出，随后向炉内通入空气、氮气、氩气中的一种，保温10-180分钟后，随炉冷却，得到泡沫金刚石增强石蜡复合材料。9.根据权利要求8所述的一种泡沫金刚石增强石蜡相变储能材料的制备方法，其特征在于：表面强化的泡沫骨架表面金刚石膜的制备方法是：将泡沫骨架置于化学气相沉积炉中的旋转基台上；或对泡沫骨架表面种植籽晶后再置于化学气相沉积炉中的旋转基台上，然后进行金刚石层沉积，调节炉内气路分布、热丝排布及旋转基台的转速，含碳气体占炉内全部气体质量流量百分比为0.5-10.0％；生长温度为600-1000℃，生长气压103-104Pa；获得泡沫骨架内外表面均为大颗粒微米级金刚石膜层。10.根据权利要求9所述的一种泡沫金刚石增强石蜡相变储能材料的制备方法，其特征在于：泡沫骨架置于化学气相沉积炉中的旋转基台上，在泡沫骨架两侧设置热丝，热丝距泡沫骨架距离为5-12mm，热丝间距为5-20mm；所述热丝为螺旋丝或直丝；、在泡沫骨架上下分别均匀设置多个进出气口，控制旋转基台自转速率为5-100r/min，获得泡沫骨架内外表面金刚石膜层厚度为0.5μm～1000μm，膜层中晶粒尺寸为1μm-200μm。11.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏秋平，周科朝，张龙，马莉，余志明，刘家喻，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43