一种中高温定型复合相变储热材料及其制备方法与流程

本发明属于材料科学、化学化工、能源利用与工程热物理技术领域，具体涉及一种中高温无机盐/膨胀石墨定型复合相变储热材料及其制备方法。

背景技术：

能量的储存研究是能源安全与可持续发展的战略性课题，其中热能的储存与利用与国计民生息息相关。储热技术，特别是相变储热技术是合理有效利用现有能源，优化使用可再生能源和提高能源利用效率的重要技术，是近20年来世界节能领域内一个非常活跃的研究方向。随着太阳能、工程热物理、航天技术及工业余热回收利用等领域的相互渗透和迅猛发展，为相变储热的进一步研究和发展提供了丰厚的条件。相变储热利用材料的相变潜热来实现能量的储存和利用，来缓解能量供求双方在时间、强度及地点上不匹配的有效方式。相变储热技术的核心之一是相变材料，其潜热及传热直接影响储存和利用。而无机盐在中高温相变储热应用领域中具有极大的优势，所以目前中高温储热相变材料以无机盐或合金为主要成分。但由于它们固-液转化时，必须使用专门容器封装，增加了传热介质与相变材料间的热阻，降低了传热效率，成本相应也提高了。合金主要是以金属为原料，价格昂贵，高温条件下腐蚀性强。而无机盐具有工作温度范围广、相变潜热大、热性能相对稳定、原料易得、成本低等优势，被作为传热储热材料广泛应用于能源、动力、石化、冶金、材料等领域。但无机盐作为相变储热材料存在较为严重的高温腐蚀、导热性不佳等缺点，严重制约其工业化应用。开发复合相变储能材料有望解决相变储热材料的应用技术瓶颈。目前相关研究者进行了研究，例如专利cn103992775a公开了一种低熔点储热材料及其制备方法，将多种无机盐混合保温制备而成，这种制备方法所制备储热材料相变潜热高、熔点低、液态流动性好、同时制备简单，但导热性不佳、储放热速率受限等缺陷。专利cn1803965a公开了一种采用自发熔融浸渗制备高温相变储热材料的制备工艺，选材包括无机盐、多孔陶瓷预制体、造孔剂、高温粘结剂、成型剂，采用自发熔融浸渗合成，制备出的储热材料机械强度高、换热性能好，但添加剂过多，储热密度小、加大了储能成本、且配方复杂、操作过程繁琐、不宜大规模推广应用。

综上所述，针对目前相变储热材料存在的导热性不佳、储热密度小、制备工艺复杂等问题，需要开发一种新型中高温定型复合相变储热材料及其制备方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种新型中高温定型复合相变储热材料及其制备方法。该方法从选材着手，对材料进行配方摸索及制备工艺优化。使用这种制备方法可制备单位体积储能密度大、化学性能稳定、高强度且成本低、制备工艺操作简单的中高温定型复合相变储热材料。

本发明为实现上述目的所采用技术方案为：

一种中高温无机盐/膨胀石墨定型复合相变储热材料，所述无机盐为ca(no3)2、nano3、kno3中的一种或两种以上的硝酸盐；所述膨胀石墨为蠕虫状膨胀石墨，其中，膨胀石墨既是支撑材料也是导热增强体。

进一步，所述材料的相变温度为200～400℃，相变潜热为80～200j/g，导热系数为1.6～5.7w/(m·k)。

进一步，所述硝酸盐是30(wt)％ca(no3)2与70(wt)％nano3的二元混合物。进一步，所述硝酸盐与膨胀石墨的配比为1：0.05263～1：0.1111，优选配比1：0.05263～1:0.07066。

一种上述定型复合相变材料的制备方法，步骤如下：

步骤1，按照配比称取相变材料ca(no3)2、nano3、kno3中的一种或两种以上的硝酸盐和蠕虫状膨胀石墨。

步骤2，将上述无机盐和膨胀石墨混合，加15～80ml去离子水，置于磁力搅拌器中进行搅拌10min，形成悬浮液。

步骤3，将上述悬浮液，置于80～105℃的干燥箱中干燥3～5小时，干燥后得到坯料。

步骤4，将上述坯料置于220～350℃马弗炉中进行预烧处理1.5～6小时，冷却后形成均匀、颗粒状坯料。

步骤5，将上述坯料使用不同模具压制成型，成型压力4～30mpa，保压时间1～10分钟，脱模为成型试样。

步骤6，将上述成型试样置于马弗炉中，280～400℃烧结2～5小时，烧结完成冷却至室温，制备出新型中高温无机盐/膨胀石墨定型复合相变储热材料。

本发明与现有技术相比，具有以下显著的优点：

1)与现有技术相比，本发明解决了无机盐与膨胀石墨密度差大难以混合均匀以及膨胀石墨吸附相变材料吸附率低的问题。同时本发明无需添加活性剂、成型剂、粘结剂，制备工艺操作简单、制备过程容易控制、重现性好，适合规模化工业生产。

2)利用本发明制备的中高温定型复合相变储热材料的储能密度大、导热率高、储热过程中定型复合相变储热材料无泄漏、不腐蚀，在太阳能光热发电技术、工业余热回收利用、热-冷-电三联产等领域前景广阔。

附图说明

图1是本发明实施例1所得ca(no3)2-nano3/膨胀石墨定型复合相变材料的sem照片。

图2是本发明实施例1所得ca(no3)2-nano3/膨胀石墨定型复合相变材料的xrd衍射图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进一步详细说明。

实施例1

将ca(no3)2、nano3预先按摩尔质量比3:7配成二元硝酸盐30％ca(no3)2-70％nano3；称取39.11g30％ca(no3)2-70％nano3和2.058g蠕虫状膨胀石墨混合，然后向该混合物中加入25ml去离子水；采用磁力搅拌器进行搅拌10min，形成30％ca(no3)2-70％nano3/膨胀石墨悬浮液；将上述所得悬浮液，置于98℃的干燥箱中干燥3小时，可得混合均匀的坯料；将坯料置于280℃马弗炉中预烧2小时，冷却至室温，形成均匀、颗粒状坯料；使用模具将上述坯料加压制成φ13mm*3mm的圆柱试样，成型压力6mpa，保压时间80秒；将上述所得的圆柱试样置于300℃马弗炉中烧结3小时，烧结后冷却至室温，既得新型中高温30％ca(no3)2-70％nano3/膨胀石墨定型复合相变储热材料，相变材料占总蓄热材料的质量百分比为95wt％。

实施例2

将nano3、kno3预先按摩尔质量比6：4配制成二元硝酸盐60％nano3-40％kno3；称取42g60％nano3-40％kno3和2.95g蠕虫状膨胀石墨混合，然后向该混合物中加入30ml去离子水；采用磁力搅拌器进行搅拌15min，形成60％nano3-40％kno3/膨胀石墨悬浮液；将上述所得悬浮液，置于102℃的干燥箱中干燥3小时，可得混合均匀的坯料；将坯料置于260℃马弗炉中预烧1.5小时，冷却至室温，形成均匀、颗粒状坯料；使用模具将上述坯料加压制成φ15mm*5mm的圆柱试样，成型压力10mpa，保压时间90秒；将上述所得的圆柱试样置于290℃马弗炉中烧结2.5小时，烧结后冷却至室温，既得新型中高温60％nano3-40％kno3/膨胀石墨定型复合相变储热材料，相变材料占总蓄热材料的质量百分比为93.4wt％。

实施例3

称取75gkno3和3.9g蠕虫状膨胀石墨混合，然后向该混合物中加入50ml去离子水；采用磁力搅拌器进行搅拌20min，形成kno3/膨胀石墨悬浮液；将上述所得悬浮液，置于105℃的干燥箱中干燥2.5小时，可得混合均匀的坯料；将坯料置于350℃马弗炉中预烧1.5小时，冷却至室温，形成均匀、颗粒状坯料；使用模具将上述坯料加压制成φ50mm*10mm的圆柱试样，成型压力14mpa，保压时间120秒；将上述所得的圆柱试样置于370℃马弗炉中烧结1.5小时，烧结后冷却至室温，既得新型中高温kno3/膨胀石墨定型复合相变储热材料，相变材料占总蓄热材料的质量百分比为95.1wt％。

上述实施例对本发明的技术方案进行了详细说明。显然，本发明并不局限于所描述的实施例。基于本发明中的实施例，熟悉本技术领域的人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或相类似的变化都属于本发明保护的范围。