一种石墨烯/铜导热强化柔性复合储能材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯/铜导热强化柔性复合储能材料及其制备方法和应用，所述柔性复合储能材料是以相变材料固体石蜡为储能材料，石墨烯/铜为复合高导热填料，硅橡胶为柔性基体，各组分材料在所得复合储能材料中呈类豆荚结构分布。相比现有复合储能材料，本发明专利技术的复合储能材料在性能方面实现了在较低导热填料含量下热导率的大幅提高，同时具备弹性聚合物良好的柔性；本发明专利技术的复合储能材料在制备工艺上具有高效环保的优势，有望推动相变储能材料在柔性电子器件及设备等热管理方面的应用。在柔性电子器件及设备等热管理方面的应用。在柔性电子器件及设备等热管理方面的应用。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯/铜导热强化柔性复合储能材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于储能复合材料领域，具体涉及一种石墨烯/铜导热强化柔性复合储能材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]相变储能热控技术由于储能密度高、温度波动小、系统简单、操作方便等优点，在电子设备及器件热控方面具有很大的优势。然而随着电子器件及设备的高功率化和柔性化使得热控条件越来越苛刻，现有相变储能材料热导率低(0.1
‑
0.3W/(m
·
K))和柔性差的缺点严重制约了其在新型电子器件及设备热管理方面的应用。
[0003]以高分子聚合物作为支撑材料与相变储能材料进行复合，制备所得的定形相变材料，其机械性能均得到了极大的改善，适用于逐渐柔性化电子器件的热管理应用。然而，在实际应用过程中，有机相变材料和高分子聚合物的热导率通常比较低(0.1
‑
0.3W/(m
·
K))，导致聚合物支撑复合相变储能材料的热利用率低，控温效果较差，严重制约了电子设备热管理能力的提升。为了进一步改善聚合物基相变材料固有的低热导率，将高导热率填料如膨胀石墨、石墨烯、碳纳米管和六方氮化硼等引入聚合物基相变材料进行成为目前制备导热增强柔性相变材料的主要研究手段。
[0004]尽管聚合物基相变材料的导热性能可以通过引入大量的导电填料来实现，但这不仅增加了成本和加工难度，而且还降低了相变材料的相对比例，导致复合储能材料的相变焓大幅下降。除此之外，目前普遍采用的随机共混法将大量高导热填料随机分布在聚合物基体中导致复合材料热导率难以显著提升且会大幅降低复合材料的机械强度和柔性。因此，如何在提高聚合物相变材料的导热性能的同时，保持良好的机械柔性和较高的相变焓，仍是亟需攻克的一大难题。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种石墨烯/铜导热强化柔性复合储能材料及其制备方法。本专利技术中石墨烯/铜形成的类豆荚结构的三维导热网络可以在较低添加量下实现石蜡/聚合物复合材料热导率的大幅度提高，同时，通过将相变材料限制在三维导热网络中不仅可以改善传统方法中将相变材料、导热填料和柔性聚合物基底无序共混造成复合材料力学性能的降低，还可有效提升相变材料在实际应用过程中的潜热利用率。
[0006]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0007]一种石墨烯/铜导热强化柔性复合储能材料，所述复合材料具有类豌豆荚结构，包括类豌豆颗粒的微米化相变微球，包覆在所述相变微球表面的铜粉，作为豌豆荚壳连接各铜粉包覆相变微球的石墨烯以及填充在铜粉包覆相变微球和石墨烯空隙之间的硅橡胶，所述铜粉包覆相变微球的粒径为50～80μm。
[0008]进一步地，所述相变微球的材料为固体石蜡，铜粉与相变微球的质量比是1～4:10，石墨烯与相变微球的质量比是1:5～50。
[0009]本专利技术所述石墨烯/铜导热强化柔性复合储能材料的制备方法包括以下步骤：将具有加大强度和硬度的固体石蜡进行微纳米化处理，形成以铜粉包覆石蜡的复合微球悬浮液；将石墨烯加入上述复合微球悬浮液中并超声混合获得均一溶液，并采用聚四氟乙烯滤膜，通过真空过滤法得到定形石墨烯/铜
‑
石蜡复合储能材料；最后采用真空辅助浸渍法将柔性硅橡胶预聚体充分填充在定形石墨烯/铜
‑
石蜡复合储能材料空隙中，固化后得到具有豆荚结构石墨烯/铜导热强化柔性复合储能材料。
[0010]进一步地，本专利技术所述石墨烯/铜导热强化柔性复合储能材料的制备方法，具体包括以下步骤：
[0011](1)将铜粉加入至60～80℃水中超声分散1～2h，配置成稳定的分散液，其中铜粉的质量百分含量为1～4％；将熔融的固体石蜡快速加入分散液中，并通过均质机高速均质后得到铜粉包覆石蜡(铜@石蜡)的乳液，待乳液自然冷却后得到铜粉包覆石蜡相变微球悬浮液，其中固体石蜡的质量百分含量为3～10％；
[0012](2)将石墨烯加入上述铜粉包覆石蜡相变微球悬浮液中并混合均匀，其中石墨烯的质量百分含量为0.2～2％；采用聚四氟乙烯滤膜(孔隙直径为10
‑
20μm，优选为15μm)，通过真空过滤法得到定形石墨烯/铜
‑
石蜡复合储能材料；
[0013](3)在室温下，将硅橡胶预聚体和有机溶剂混合均匀，然后将上述定形石墨烯/铜
‑
石蜡复合储能材料完全浸入硅橡胶预聚体溶液中并立即放入真空烘箱中脱气0.5～1h，随后将样品从硅橡胶预聚体溶液中取出，固化后得到类豆荚结构石墨烯/铜导热强化柔性复合储能材料。
[0014]优选的，所述步骤(1)中铜粉的粒径为0.03～1μm。
[0015]优选的，所述步骤(2)中石墨烯纳米片的片径为20～50μm。
[0016]优选的，所述步骤(3)中有机溶剂包括丙酮、乙酸乙酯、环己烷、四氢呋喃中的一种或几种。
[0017]优选的，所述步骤(3)中硅橡胶预聚体和有机溶剂的体积比为1:1～4。
[0018]优选的，所述步骤(3)中固化温度和时间为分别为10～60℃和4～36h。
[0019]进一步地，所述石墨烯/铜导热强化的柔性复合储能材料，其特征在于，所制备的复合储能材料在常温下已经具备良好的柔性，适用于柔性电子器件及设备的热管理应用。例如，所述石墨烯/铜导热强化柔性复合储能材料作为柔性电子器件的热界面材料。
[0020]本专利技术实施例结果表明，本专利技术制备的石墨烯/铜导热强化的柔性复合储能材料的导热系数可以达到2.35W/(m
·
K)，与此同时，复合储能材料还具有非常高的相变焓(可达到122.7J/g)，并在室温条件下展现出与柔性电子器件之间良好的贴合性，并可发生弯折变形。
[0021]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0022]1)针对目前聚合物相变材料热导率低、且高热导率和可延展柔性难以兼顾的不足，本专利技术提出在弹性聚合物内部构建类豆荚结构的石墨烯/铜三维导热通路，在同等热导填料含量下，相比于传统随机共混法，可实现聚合物基相变储热材料热导率的大幅度提高；与此同时，通过将具有较大强度及硬度的固体石蜡微球化，并在其表面包覆一层导热填料，
然后均匀限制在石墨烯/铜三维导热网络中，进一步地，在三维导热网络的空隙中则填充弹性聚合物，使复合储能材料尽可能地保留弹性聚合物良好的柔性，从而使制备得到的复合储能材料兼具高导热性和良好的机械柔性。
[0023]2)本专利技术提出采用的溶液共混
‑
过滤
‑
浸渍的方式制备石墨烯/铜导热强化柔性复合储能材料，该制备方法无需高温、高压以及复杂的制备流程和昂贵的设备，相比于现有盐模板、冷冻干燥法、热压等外场诱导导热填料在聚合物内部构建三维导热网络，具有制备效率高，成本低等特点，适于大规模生产。
[0024]3)本专利技术所得石墨烯/铜导热强化柔性复合储能材料具有的高的相变储热、高的导热性和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯/铜导热强化柔性复合储能材料，其特征在于：所述复合材料呈类豌豆荚结构，包括类豌豆颗粒的相变微球，包覆在所述相变微球表面的铜粉，作为豌豆荚壳连接各铜粉包覆相变微球的石墨烯以及填充在铜粉包覆相变微球和石墨烯空隙之间的硅橡胶，所述铜粉包覆相变微球的粒径为50~80μm。2.如权利要求1所述的一种石墨烯/铜导热强化柔性复合储能材料，其特征在于：所述相变微球的材料为固体石蜡，铜粉与相变微球的质量比是1~4:10，石墨烯与相变微球的质量比是1:5~50。3.如权利要求1所述的一种石墨烯/铜导热强化柔性复合储能材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1）将铜粉加入至60~80℃水中超声分散1~2h，配置成稳定的分散液，将熔融的固体石蜡快速加入分散液中，并通过均质机高速均质后得到铜粉包覆石蜡的乳液，待乳液自然冷却后得到铜粉包覆石蜡相变微球悬浮液；2）将石墨烯纳米片加入至步骤1）铜粉包覆石蜡相变微球悬浮液中并混合均匀，通过真空过滤法将悬浮液过滤至滤膜表面，即得到定形石墨烯/铜
‑
石蜡复合储能材料；3）在室温下，将硅橡胶预聚体和有机溶剂混合均匀得到硅橡胶预聚体溶液，然后将步骤2）定形石墨烯/铜
‑
石蜡复合储能材料完全浸入硅橡胶预聚体溶液中并立即放入真空烘箱中脱气0.5~1h，随后将样品从硅橡胶预聚体溶液中取出，固化后得到类豆荚结构石墨烯/铜导热强化柔性复合储能材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙娜，李相清，费玥姣，
申请(专利权)人：西湖大学，
类型：发明
国别省市：