本發(fā)明屬于熱交換材料領域，具體涉及一種高熱導率多孔材料與低熔點金屬的復合相變儲熱材料。
背景技術：
相變儲熱材料在航天器熱控、相變儲能、建筑節(jié)能、太陽能熱利用、芯片散熱等領 域具有極為廣泛的應用。常用的相變儲熱材料分為固液相變材料和固固相變材料，固液 相變材料包括石蠟、脂肪酸、硫酸鈉水合鹽、氯化鈣水合鹽等，固固相變材料有多元醇、高 分子化合物、層狀鈣鈦礦等。但是不論是有機物類相變材料，還是無機鹽類相變材料，它 們共有的缺陷就是熱導率小，這直接導致相變儲熱材料的熱慣性大，影響其傳熱速率和凍 融速率?，F(xiàn)有的提高相變儲熱材料導熱性能的方法主要集中于在傳統(tǒng)相變材料中添加導 熱增強劑，即將金屬粉、石墨顆粒等和相變材料混合，以提高復合相變材料的當量熱導率 (CN102241963A，CN102660230A)。然而，受制于基體相變材料熱導率不高這一瓶頸性缺陷， 通過這類方法制作而成的復合相變材料的熱導率的提高依然相當有限。此外，上述方法還 存在制作工藝復雜、多次吸放熱循環(huán)后容易相分離、穩(wěn)定性差等不足。因此，尋找一種熱導 率足夠高、制作和使用方便的相變儲熱材料，仍然是當前工業(yè)界亟需解決的問題。新型多孔材料，例如泡沫銅“聚氨酯海綿浸滲法制備高孔隙率泡沫銅”，《稀有金 屬材料與工程》第38卷第4期，2009年4月）、泡沫鐵、發(fā)泡石墨具有高導熱性、低密度、耐 火、吸波、低熱膨脹系數(shù)、比表面積大、吸附性優(yōu)良、隔熱性優(yōu)異及抗壓性良好等特點，孔隙 率在70-99%之間，在熱控材料、雙電層電容器、催化劑載體、高溫隔熱和航空航天等領域中 均有廣泛的應用前景。其在相變儲熱材料中的應用尚無嘗試。
技術實現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有技術的不足之處，本發(fā)明提出將低熔點金屬灌注于高熱導率多孔材料中，本發(fā)明的技術目的是提供一種復合相變儲熱材料，本發(fā)明的另一個目的是提出復合相變儲熱材料的制備方法。
實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術方案為：
一種復合相變儲熱材料，以具有高熱導率的多孔材料為支撐骨架，低熔點金屬或 添加有納米顆粒的低熔點金屬分布于多孔材料的孔道中；其中，所述低熔點金屬的熔點或固相線溫度80℃；所述多孔材料的熱導率在40-400W/(m.K)之間。
其中，所述具有高熱導率的多孔材料為泡沫金屬或發(fā)泡石墨，所述泡沫金屬選自 泡沫銅、泡沫鋁、泡沫鐵、泡沫鎳、泡沫鐵鎳中的一種。
其中，所述多孔材料為多孔介質材料，其孔洞之間相通。
其中，所述低熔點金屬為鎵、鎵基合金、銦、銦基合金、秘基合金中的一種。
其中，所述納米顆粒為金屬納米顆粒和/或非金屬納米顆粒，所述金屬納米顆粒 為金、銀、銅、鐵、鎳、鈣、鋅的納米顆粒中的一種或多種，所述非金屬納米顆粒為金、銀、銅、鐵、鎳、鈣、鋅的氧化物納米顆粒、碳納米管或石墨納米顆粒中的一種或多種。
其中，所述納米顆粒的粒徑在1-100nm之間，其在低熔點金屬中所占的容積比例 在0-5%之間。
一種制備復合相變儲熱材料的方法，其特征在于，將所述多孔材料 通過擠壓的方式嵌入工作容器內(nèi)，所述多孔材料與工作容器內(nèi)壁面之間采用過盈配合；將 所述低熔點液態(tài)金屬從工作容器上方注入所述多孔材料，低熔點液態(tài)金屬通過重力作用填 充多孔材料。所述過盈配合為具有過盈的配合。具體操作中，所述多孔材料的外徑大于所 述工作容器的內(nèi)徑0-1.0mm。
其中，將低熔點液態(tài)金屬注入多孔材料的過程中，在室溫下操作或控制操作溫度 為液態(tài)金屬的熔點或液相線溫度以上5-20℃。若液態(tài)金屬的熔點或液相線溫度在室溫以 上，控制操作體系溫度為液態(tài)金屬的熔點或液相線溫度以上5-20℃。
本發(fā)明所提供的結合高熱導率多孔材料和低熔點金屬的新型復合相變儲熱材料 具有如下優(yōu)點：
1、當量熱導率高。不論是多孔材料，還是低熔點金屬或者納米金屬流體，其熱導率 都普遍要比有機材料和無機材料高一到兩個數(shù)量級，因而本發(fā)明所提供的新型復合相變儲 熱材料具有極高的凍融速率，能夠快速完成吸熱和放熱過程。
2、儲能密度大。雖然單位質量液態(tài)金屬的相變潛熱比傳統(tǒng)相變材料的小，但是其 密度卻比傳統(tǒng)相變材料的大好幾倍，所以本發(fā)明所提供的新型復合相變儲熱材料仍然具有 較大的儲能密度。
3、無過冷。液態(tài)金屬和多孔材料之間有很大的接觸面積，且多孔材料的內(nèi)壁一般 粗糙多孔，這有助于液態(tài)金屬在凝固時的異質形核，減小液態(tài)金屬的過冷度。此外，納米顆 粒的添加也能夠有效抑制液態(tài)金屬的過冷現(xiàn)象，從而能夠確保該相變儲熱材料在設定的溫 度下完成吸放熱過程。
4、可選相變溫度范圍寬。根據(jù)合金種類和配比的不同，低熔點金屬的相變溫度可 在0-270℃范圍內(nèi)變化，因而可根據(jù)實際工況的需要選擇合金種類和配比，使合金的相變溫 度與工況所需的工作溫度相匹配。
5、定形性好。因為有多孔材料作為支撐骨架，這種新型復合相變材料無論是在固 態(tài)還是液態(tài)，都不會有明顯的形態(tài)變化，發(fā)生相變時液態(tài)金屬體積的變化也較小，一般不超 過 3%。
6、物化性質穩(wěn)定，可逆性好，不存在多次吸放熱循環(huán)后儲熱效率下降的問題。
7、此外，因為液態(tài)金屬的表面張力大，飽和蒸汽壓低，本發(fā)明所提供的新型復合相變儲熱材料不易泄漏，且無毒性，使用安全。
附圖說明
圖1為本發(fā)明實施例1復合相變儲熱材料的結構示意圖
其中:1為具高熱導率的多孔材料，2為低熔點金屬，3為填裝該復合相變儲熱材料的工作容器。
具體實施方式
下面通過最佳實施例來說明本發(fā)明。本領域技術人員所應知的是，實施例只用來說明本發(fā)明而不是用來限制本發(fā)明的范圍。
實施例中，密度的測定是在25 ℃下；熱導率的測定為用Mathis Tci (SETARAM，F(xiàn)rance)測試得到。實施例中，如無特別說明，所用手段均為本領域常規(guī)的手段。
實施例1 :
本實施例提供一種具有優(yōu)異導熱性能的新型相變儲熱材料，由具有高熱導率的多 孔材料1和低熔點金屬2復合而成（圖1），多孔材料1作為支撐骨架，通過擠壓的方式被嵌 入工作容器3中，工作容器3為填裝該復合相變儲熱材料的工作容器。
多孔材料和內(nèi)壁面之間采用過盈配合，所述多孔材料的外徑大于所述工作容器的 內(nèi)徑0.6-0.8mm，低熔點金屬2被灌注于多孔材料1中。所述具高熱導率多孔材料1為泡 沫銅，熱導率為386WAm，K)，密度為1.78g/cm3,孔徑為 4mm，孔隙率為80%，為均勻三維連通網(wǎng)絡結構。所述液態(tài)金屬2為鎵銦錫鋅合金（61wt%Ga， 25wt%In，13wt%Sn，1wt%Zn)，熱導率為 36W/(m.K)，密度為 6.50g/cm3,其液相線溫度為 6.5℃，固相線溫度為7.6℃。
所述工作容器3采用厚度為3mm的銅合金板材加工焊接而成，為減小接觸熱阻，容 器內(nèi)表面加工得光滑平整，所述泡沫銅被嵌入工作容器后，將所述鎵銦錫鋅合金液態(tài)金屬 從工作容器上部注入所述泡沫銅中，所述液態(tài)金屬在重力作用下填充泡沫銅，因鎵銦錫鋅 合金液態(tài)金屬在凝固時體積膨脹，膨脹比約為3%，所以在將鎵銦錫鋅合金液態(tài)金屬灌入所 述泡沫銅中時，預留工作容器上部4%左右的容積。進行灌注操作時室溫為25℃，直接在室 溫下操作。為優(yōu)化填充效果，灌注操作結束后，對整個容器進行超聲振動或機械振動處理， 并根據(jù)需要進行補充灌注。最終所述鎵銦錫鋅合金液態(tài)金屬均勻分布于所述泡沫銅中，只 留下容器上部4%左右的容積。
本實施例所制備的復合相變儲熱材料當量熱導率為55W/ (m.K)，密度為6.98g/ cm3,可用于相變蓄冷、建筑節(jié)能等領域。
實施例2:
本實施例提供一種結合具高熱導率多孔材料和低熔點金屬的相變儲熱材料， 其中多孔材料1為導熱性能極佳的發(fā)泡石墨，低熔點金屬2為銦鉍錫共晶合金（51wt%In，32.5wt%Bi， 16.5wt%Sn)該共晶合金的熔點為60℃。灌注時操作溫度保持為65℃。該低熔點金屬2均勻分布于發(fā)泡石墨中。
本實施例所提供的相變儲熱材料的當量熱導率為23W/(m*K)，能夠快速完成吸熱和放熱過程，可廣泛應用于航天器熱控、芯片散熱、電子元器件溫控、太陽能熱利用等領域。
實施例 3
一種結合具高熱導率多孔材料和納米金屬流體的相變儲熱材料，其中多孔材料1為發(fā)泡石墨。納 米金屬流體2中的液態(tài)金屬為純鎵，其熔點為29.8℃。該納米金屬流體2中的納米顆粒為 鎳納米顆粒，其粒徑為50nm，在納米金屬流體中的體積份額為3%。因為純鎵液態(tài)金屬自身 的密度和張力特性，鎳納米顆粒均勻分布于液態(tài)金屬中，不易發(fā)生沉積和聚積。
鎳納米顆粒均勻分布于液態(tài)金屬的具體的制作方法參照專利CN1955252A的內(nèi) 容。發(fā)泡石墨被嵌入工作容器內(nèi)，發(fā)泡石墨的外徑大于所述工作容器的內(nèi)徑0-0.1mm，將鎵 納米金屬流體從工作容器上部注入發(fā)泡石墨中，控制體系溫度35℃。因鎵在凝固時體積膨 脹，膨脹比約為3%，所以在將鎵納米金屬流體2灌注于發(fā)泡石墨1中時，預留工作容器上部 4%的容積，以免鎵納米金屬流體凝固時工作容器發(fā)生脹裂。
本實施例所提供的相變儲熱材料當量熱導率為36W/(m.K)。可用于航天器熱控、 芯片散熱、電子元器件溫控等領域。
實施例4
一種結合具高熱導率多孔材料和納米金屬流體的相變儲熱材料，其中多孔材料1 為具高熱導率的泡沫鐵，熱導率為46.5W/(m.K)。納米金屬流體2中的液態(tài)金屬為鉍銦鉛錫 共晶合金（49wt%Bi，21wt%In，18wt%Pb，12wt%Sn)，其熔點為58℃。該納米金屬流體中的納 米顆粒為碳納米管，其直徑為10nm，長徑比為20:1，在納米金屬流體中所占容積份額為3%， 所述碳納米管顆粒均勻分布于所述鉍銦鉛錫合金液態(tài)金屬中，其具體的制作方法參照專利 CN1955252A 的內(nèi)容。
本實施例所提供的相變儲熱材料的當量熱導率為27W/(m.K)，可用于航天器熱 控、芯片散熱、電子元器件溫控、太陽能熱利用等領域。