一种轻质柔性碳泡沫基相变复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种轻质柔性碳泡沫基相变复合材料及其制备方法，属于热能储能领域。超轻质的柔性碳泡沫基体CF，密度8～12kg/m

Lightweight flexible carbon foam base phase change composite material and preparation method thereof

【技术实现步骤摘要】
一种轻质柔性碳泡沫基相变复合材料及其制备方法
本专利技术属于热能储能领域，特别涉及一种轻质柔性碳泡沫基相变复合材料及其制备方法。
技术介绍
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。目前研究者主要利用碳纳米管、膨胀石墨、氧化石墨烯、石墨烯纳米片、石墨烯凝胶、生物质碳气凝胶以及碳纤维等多孔碳基材料作为支撑材料制备定形相变复合材料，其特点是均具有较高的比表面积和较高的导热系数，多应用在高导热及光/电-热转化材料领域(高的导热系数使其不适用于保温材料领域)。此类定形相变复合材料普遍存在柔性差(脆)、尺寸小(低维)或尺寸不可控等限制，且支撑材料合成工艺复杂，成本高。本专利技术提出的轻质柔性碳泡沫基体导热系数低，一方面具有保温隔热的效果，吸附相变材料后除了可作为储热单元，还可在此基础上增加一道保温屏障；另一方面复合材料基于柔性三维多孔碳泡沫，尺寸可控，可根据不同需求裁剪以适用于特定环境或设备。因此，开发一种新型的、尺寸可控的、具有较好相变储热和控温功能的相变复合材料是有迫切需求的。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术通过优化基体制备工艺和相变吸附工艺，使得材料具有优异的储热性能。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。本专利技术在克服固-液相变材料泄漏问题的基础上，提供一种易于裁剪加工、外观尺寸可控、轻质柔性同时具有储能、调温性能的碳泡沫基相变复合材料，该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，具有优异的温度调节性能，可用于军事装备的红外隐身与示假等方面。本专利技术的第一个目的是提供了一种碳泡沫基相变复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：(1)碳源材料在200～300℃下保温进行预氧化，然后碳化，得到碳泡沫基体；(2)将步骤(1)所得的碳泡沫基体加入到熔融的相变材料中，真空吸附得到碳泡沫基相变复合材料，所述碳泡沫基相变复合材料中相变材料的质量分数不超过84％。在本专利技术的一种实施方式中，所述步骤(1)中的碳化是在氮气氛围中进行碳化。在本专利技术的一种实施方式中，所述步骤(1)中碳化的工艺包括：在400～1000℃下保温0.5h～4h进行碳化。其中碳化的升温速率1～10℃/min。在本专利技术的一种实施方式中，所述步骤(1)中预氧化的温度优选260～300℃。进一步优选260℃。在本专利技术的一种实施方式中，所述步骤(1)中预氧化的保温时间1～4h。进一步优选2h。在本专利技术的一种实施方式中，所述步骤(1)中碳化的工艺优选：400℃下保温时间0.5h～2h，升温速率3～7℃/min。在本专利技术的一种实施方式中，所述步骤(1)中的碳源材料包括三聚氰胺泡沫、聚氨酯泡沫。在本专利技术的一种实施方式中，所述步骤(2)中相变材料(PCM)可作为储热基元，可以是固-液类PCM，包括脂肪族长链烷烃、大豆蜡、脂肪酸及其低共熔物、脂肪酸酯、聚乙二醇、多元醇或石蜡中的一种或多种。在本专利技术的一种实施方式中，所述步骤(2)是通过真空熔融法吸附相变材料。在本专利技术的一种实施方式中，所述步骤(2)具体包括：首先将一定质量的相变材料置于高于其熔点的烘箱中熔融，其次，将基体置于熔融的相变材料中并抽真空使其充分扩散到碳泡沫基体中，抽真空3次后样品于真空状态下静置1～3h，然后利用滤纸吸附并去除表面多余的相变材料，最后待样品冷却至室温后制得相变复合材料，根据相变材料含量的不同将相变复合材料命名为CF-PCMx(其中“x”表示相变复合材料中所含储热基元的质量百分比)。本专利技术的第二个目的是利用上述方法提供一种碳泡沫基相变复合材料。本专利技术的第三个目的是将上述的碳泡沫基相变复合材料应用于热能存储与释放领域中。本专利技术的第四个目的是将上述的碳泡沫基相变复合材料应用于保温隔热领域中。本专利技术的第五个目的是将上述的碳泡沫基相变复合材料应用于红外隐身或示假领域中。本专利技术的有益效果：1、本专利技术制备的轻质柔性碳泡沫基体，尺寸可控，易于裁剪加工。超轻质的柔性碳泡沫(CF)内部为相互连接的三维多孔骨架，密度8～12kg/m3，孔隙大小为50～200μm。其三维多孔碳泡沫基体由于轻质(图1)、力学性能优异(包括弯曲回弹性和压缩回弹性，图2)，因此可裁剪性好，有利于实际应用中对材料规格的不同需求。2、本专利技术提供的轻质柔性碳泡沫基相变复合材料，储热容量可控，相变焓均在153.7kJ/kg以上，实际储热效率均不低于65％。其可控性在于，通过控制真空吸附的相变材料的百分数可以达到控制复合材料储热容量的目的，并将其应用于对热容量需求不同的领域。所述相变材料为固-液相变材料，可为脂肪族长链烷烃、大豆蜡、脂肪酸及其低共熔物、脂肪酸酯、聚乙二醇、多元醇或石蜡等其中的一种或多种，其相变潜热高、热稳定性好，热能存储和释放效率高。本专利技术制备的轻质柔性碳泡沫可以很好地吸附相变材料(图3)，并进行热能存储与释放(图4和图5)、温度调节(图6和图7)，可在热能存储、保温隔热及红外隐身与示假等领域中得到应用。附图说明图1为不同碳化温度下样品的体积变化；图2不同变量下样品的力学性能测试:(a)碳化温度；(b)升温速率；(c)碳化时间；(d)预氧化温度；(e)预氧化时间；图3防泄漏性能测试：(a)正二十烷；(b)相应CF-PCMx；图4不同样品在80℃加热台上测试1h后的质量损失；图5为DSC测试结果：正二十烷和相应CF-P本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳泡沫基相变复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)碳源材料在200～300℃下保温进行预氧化，然后碳化，得到碳泡沫基体；(2)将步骤(1)所得的碳泡沫基体加入到熔融的相变材料中，真空吸附得到碳泡沫基相变复合材料，所述碳泡沫基相变复合材料中相变材料的质量分数不超过84％。

【技术特征摘要】
1.一种碳泡沫基相变复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)碳源材料在200～300℃下保温进行预氧化，然后碳化，得到碳泡沫基体；(2)将步骤(1)所得的碳泡沫基体加入到熔融的相变材料中，真空吸附得到碳泡沫基相变复合材料，所述碳泡沫基相变复合材料中相变材料的质量分数不超过84％。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中碳源材料包括三聚氰胺泡沫、聚氨酯泡沫中任意一种。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中预氧化的温度为260～300℃。4.根据权利要求1-3所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中预氧化的时间为1～4h。5.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡以兵，王委委，张炜栋，黄锋林，魏取福，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32