本發(fā)明涉及復(fù)合材料領(lǐng)域，具體涉及一種基于空氣泡射流取向石墨烯納米片層的高導(dǎo)熱相變儲(chǔ)能材料的制備方法。

背景技術(shù)：

1、相變儲(chǔ)能技術(shù)的研究始于20世紀(jì)，最初主要集中在太陽(yáng)能利用和住宅供暖系統(tǒng)的熱存儲(chǔ)上。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種材料的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，涵蓋了建筑、交通、電子制造等多個(gè)領(lǐng)域。這是因?yàn)橄嘧儍?chǔ)能材料在節(jié)能減排、提高能源利用效率等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，能夠有效支持可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。此外，石油資源的不可再生性以及污染性帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題和資源耗竭的擔(dān)憂，例如：全球變暖和空氣污染，并且這種不可持續(xù)的能源模式迫切需要轉(zhuǎn)變。因此，發(fā)展高效的清潔能源的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換是迫在眉睫的任務(wù)。

2、在當(dāng)前的眾多能源存儲(chǔ)技術(shù)當(dāng)中，熱能存儲(chǔ)技術(shù)展現(xiàn)出巨大的潛力和前景。這種技術(shù)能夠以高容量和大規(guī)模的方式存儲(chǔ)熱能。得益于近年來(lái)材料科學(xué)的飛速發(fā)展，熱能存儲(chǔ)不僅擁有高能量密度和高轉(zhuǎn)化效率，而且實(shí)現(xiàn)了較低的成本。特別是，相變儲(chǔ)能復(fù)合材料的應(yīng)用顯得尤為重要。這種材料利用相變過(guò)程中的吸熱或放熱特性，可以在電力需求高峰期間釋放存儲(chǔ)的熱量，而在需求低谷時(shí)存儲(chǔ)多余的熱量。這不僅有助于平衡熱能的供需關(guān)系，還可以極大地提高能源的整體利用效率。

3、在目前研究的相變儲(chǔ)能復(fù)合材料中，一個(gè)主要的技術(shù)挑戰(zhàn)是提高這些材料的熱傳導(dǎo)效率，因?yàn)樗鼈兺ǔ＞哂休^低的熱導(dǎo)率。解決這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵在于優(yōu)化復(fù)合材料的支架部分，以實(shí)現(xiàn)更快的熱響應(yīng)速度。在此方面，石墨烯這種熱門的二維材料顯示出巨大的潛力，因?yàn)樗哂袠O高的面內(nèi)熱導(dǎo)率(介于2000～5000w/m·k)。這種材料在提高熱傳導(dǎo)方面已經(jīng)被廣泛研究和應(yīng)用。然而，石墨烯獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其熱傳導(dǎo)方式與常規(guī)材料不同，這要求石墨烯的骨架結(jié)構(gòu)具有高度的定向性，以充分利用其優(yōu)異的熱導(dǎo)特性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上高導(dǎo)熱的相變儲(chǔ)能復(fù)合材料的迫切需要，本發(fā)明提供一種基于氣泡射流取向石墨烯納米片層的高導(dǎo)熱相變儲(chǔ)能材料的制備方法。首先，對(duì)膨脹微球改性令石墨烯片層包裹在膨脹微球上，通過(guò)熱壓裝置令膨脹微球產(chǎn)生高壓空氣泡，在快速的下壓時(shí)空氣泡破裂，產(chǎn)生射流。射流有著強(qiáng)大的沖擊力，可以令石墨烯納米片層發(fā)生偏使其高度取向，得到高面內(nèi)熱導(dǎo)率的石墨烯骨架。在真空輔助灌注的方式下灌注相變材料獲得高導(dǎo)熱的石墨烯基相變儲(chǔ)能復(fù)合材料。具體是按照以下步驟進(jìn)行的：

2、1)膨脹微球的改性：將膨脹微球配置成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10％的分散液，放置于水浴鍋中加熱至50℃，滴加三乙基芐基氯化銨、十八烷基二甲基芐基氯化銨、苯扎氯銨等(它們可以使用一種或兩種以上)后保溫3h進(jìn)行攪拌加熱反應(yīng)；

3、2)石墨烯/膨脹微球復(fù)合固體的制備：將石墨烯漿料的濃度為1wt％-10

4、wt％與改性好的膨脹微球(石墨烯與膨脹微球的重量比為1：1)置于行星攪拌器中以500-2000r/min的速率攪拌1h，令石墨烯片層和改性好的膨脹微球在水溶液中形成納米分散，然后將混合分散液通過(guò)抽濾的方式得到石墨烯/膨脹微球復(fù)合固體，并將其在烘箱中以50℃的溫度烘干；

5、3)高定向石墨烯骨架的制備：利用500目的篩網(wǎng)，將干燥好的石墨烯/膨脹微球復(fù)合固體篩成粉末，將粉末狀的石墨烯/膨脹微球復(fù)合固體置于可以控溫的模壓裝置中進(jìn)行保溫，令微球中的液體產(chǎn)生相變，從而使微球膨脹產(chǎn)生高壓空氣泡，進(jìn)而通過(guò)模具快速的下壓，空氣泡破裂，產(chǎn)生高速射流，使得石墨烯納米片層產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，從而獲得高定向的石墨烯骨架；

6、4)高定向石墨烯骨架石墨化處理：將3)中獲得將高定向石墨烯/膨脹微球骨架放入石墨化爐中，在惰性氣體氛圍下進(jìn)行10-14h的石墨化處理，去除內(nèi)部的膨脹微球，修復(fù)石墨烯納米片本身的缺陷,石墨化處理的溫度為2500℃-3200℃；

7、5)高定向石墨烯骨架的二次致密化：將4)中獲得的高定向石墨烯骨架置于3)的模壓模具中再次模壓令原本不搭接的石墨烯納米片重新搭接，進(jìn)一步降低微觀界面熱阻；

8、6)在石墨烯骨架中灌注相變儲(chǔ)能材料：將石墨烯骨架置于固體相變材料上放入真空烘箱，將真空烘箱抽至-0.1mpa后進(jìn)行升溫使得相變材料熔化，熔化后在真空負(fù)壓的作用下灌注進(jìn)入石墨烯骨架內(nèi)部，自然冷卻后得到高導(dǎo)熱石墨烯相變儲(chǔ)能材料。

9、優(yōu)選的，上述步驟1)中所述的膨脹微球用量在10-50g，三乙基芐基氯化銨的用量為1-5g；(所述膨脹微球?yàn)閮?nèi)部封存有易揮發(fā)液體(如丁烷)的高分子微球(如甲基丙烯酸甲酯)，通過(guò)加熱至液體的相變溫度以上，能夠使微球內(nèi)產(chǎn)生氣泡，從而膨脹。

10、優(yōu)選的，上述步驟2)中所述的石墨烯漿料的濃度為1wt％-10wt％；

11、優(yōu)選的，上述步驟3)中所述的模壓裝置的溫度控制范圍為90～140℃，保溫時(shí)長(zhǎng)在5-30min模壓速率為200-1000mm/min；

12、優(yōu)選的，上述步驟5)中所述的石墨烯骨架二次致密化所采用的模壓速率為1-5mm/min；

13、優(yōu)選的，上述步驟6)中所述的相變材料包括但不局限于高精煉石蠟、二十七烷、十四烷、雙十八烷、三十二烷、氧化聚乙烯蠟等，它們可以使用一種或兩種以上。

14、本發(fā)明的有益效果是：一、本發(fā)明與傳統(tǒng)方法制備的石墨烯骨架過(guò)程更簡(jiǎn)潔：與制備碳泡沫的方法相比，該方法僅需通過(guò)攪拌，干燥，熱壓的方式就可制備出高度各向異性的石墨烯泡沫，并且成本較低。而傳統(tǒng)方法制備的碳泡沫所需溫度高、時(shí)間長(zhǎng)，并且制備出的碳泡沫為各向同性，難以滿足各向異性的使用需求。二、本發(fā)明通過(guò)氣體爆破對(duì)石墨烯泡沫進(jìn)行高度取向：本發(fā)明通過(guò)在石墨烯片層內(nèi)部植入可膨脹微球，通過(guò)加熱的方式令其內(nèi)部充滿氣體，再通過(guò)壓力下壓令微球橫向破裂產(chǎn)生較強(qiáng)的氣流，從而使石墨烯納米片層產(chǎn)生徑向取向。三、本發(fā)明所制備的樣品可批量化且更靈活：本發(fā)明僅通過(guò)攪拌，干燥，熱壓的方式進(jìn)行制備高取向都石墨烯泡沫，因此可根據(jù)不同的樣品需求制備不同尺寸的石墨烯泡沫，并且其取向度的均勻性更高，這較傳統(tǒng)的制備方法而言是非常大的進(jìn)步。

技術(shù)特征：

1.一種基于氣泡射流取向石墨烯納米片層的高導(dǎo)熱相變儲(chǔ)能材料的制備方法，其特征在于：包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于氣泡射流取向石墨烯納米片層的高導(dǎo)熱相變儲(chǔ)能材料的制備方法，其特征在于：步驟1)中所述的膨脹微球用量在10-50g，三乙基芐基氯化銨的用量為1-5g。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于空氣泡射流取向石墨烯納米片層的高導(dǎo)熱相變儲(chǔ)能材料的制備方法，其特征在于：所述膨脹微球由甲基丙烯酸甲酯制成，其內(nèi)部包含的易揮發(fā)液體為丁烷。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于空氣泡射流取向石墨烯納米片層的高導(dǎo)熱相變儲(chǔ)能材料的制備方法，其特征在于：步驟3)中所述的模壓裝置的溫度控制范圍為90～140℃，模壓速率為200-1000mm/min。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于空氣泡射流取向石墨烯納米片層的高導(dǎo)熱相變儲(chǔ)能材料的制備方法，其特征在于：步驟5)中所述的石墨烯骨架二次致密化所采用的模壓速率為1-5mm/min。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于空氣泡射流取向石墨烯納米片層的高導(dǎo)熱相變儲(chǔ)能材料的制備方法，其特征在于：步驟6)中所述的相變材料包括高精煉石蠟、二十七烷、十四烷、雙十八烷、三十二烷、氧化聚乙烯蠟中的至少一種。

7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一所述的方法制備的取向石墨烯納米片層的高導(dǎo)熱相變儲(chǔ)能材料。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種基于空氣泡射流取向石墨烯納米片層的高導(dǎo)熱相變儲(chǔ)能材料的制備方法。通過(guò)在石墨烯內(nèi)部引入高壓的膨脹微球，在其破裂時(shí)空氣泡產(chǎn)生空氣射流令石墨烯片層發(fā)生偏轉(zhuǎn)從而制備高取向的石墨烯骨架，再通過(guò)高溫石墨化處理得到高熱導(dǎo)率的石墨烯骨架，利用真空輔助灌注的方法多次灌注相變儲(chǔ)能材料，獲得高導(dǎo)熱的石墨烯相變儲(chǔ)能復(fù)合材料。該高導(dǎo)熱的石墨烯相變儲(chǔ)能材料具有快響應(yīng)、高儲(chǔ)熱的特性，響應(yīng)時(shí)間比傳統(tǒng)商用材料縮短1/2，熱導(dǎo)率最高可達(dá)152W/(m·K)，體相變焓值高達(dá)249kJ/L，可根據(jù)不同需求調(diào)節(jié)熱導(dǎo)率和相變焓值。因此，該新型的石墨烯相變儲(chǔ)能材料有著重大的應(yīng)用前景。

技術(shù)研發(fā)人員：張瑞,李宜彬,孫賢賢,徐惠彬
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19