一种径向传热增强有序阵列式电热转换定形相变材料的制备与应用

本发明涉及一种径向传热增强有序阵列式电热转换定形相变材料的制备与应用，其属于相变储能。

背景技术：

1、热能作为最丰富的能源之一，是许多国家工业生产的基础，其消耗约占世界当前能源消耗的60-70%。然而，热能在实际应用中存在利用效率低、时空上不匹配等问题，新的热能储存技术亟待开发。与其他储热方式相比，相变储热具有更高的储热密度、更好的稳定性和可控性，其主要利用相变材料存储热量，以得到更高的能量转换效率。随着能源问题的日益严峻，寻找清洁、可再生和无毒的能源生产和储存方式正成为研究人员迫在眉睫的挑战。太阳能以其丰富、普遍和清洁的特点，被认为是各种能源中最具潜力的可持续能源之一，因此光热相变材料得到了广泛的关注与探索。然而，日照强度的不稳定与时空的不连续导致光热相变材料在实际应用中受到限制。电能具有主动、清洁、不受时空限制的特点，因此电热转换相变成为光热转换相变的有效替代方案。

2、与无机相变材料经常出现相分离、过冷现象不同，有机相变材料具有相变温度可控、稳定性好、成本低等优点，可广泛应用于纺织品、泡沫、纤维、工业储热等领域。然而，固有的低导热性和低导电性严重限制了其发展

3、电热转换的基本机制为电流流过导电的相变材料时，运动电子与其他分子或基团发生碰撞产生焦耳热。相变材料吸收释放的焦耳热，以潜热的形式存储，完成从电能到热能的转换与存储过程。从导电、导热机理分析，高导电性意味着高导热性，而高导热性并不意味着高导电性。此外，目前制备高性能电热转换相变材料面临的核心关键问题在于其导热导电为同一通路，能量损失大，电热转换效率低。对此，需要一种方法综合提升复合相变材料的导电性能和导热性能。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一类新的径向传热增强有序阵列式电热转换定形相变材料及其制备方法。以轴向高效导电通路、径向热传导增强的碳纤维有序阵列为突破口，为有序导电阵列搭建轴向的电绝缘导热通路，实现导热导电通路的分离，构建起径向热传递增强的有序阵列式电热转换定形相变体系。本发明制备径向传热增强有序阵列式电热转换定形相变材料，其导热、导电性能显著提升，且具有较大的相变焓值及优异的定形效果，工作过程中无液体泄漏。此类材料合成工艺简单，在人体电热疗、电子设备散热等领域具有广阔的应用前景。

2、本发明的技术方案如下：一种径向传热增强有序阵列式电热转换定形相变材料，所述电热转换定形相变材料以导热、导电性能优异的聚丙烯腈碳纤维阵列为支撑材料，连接导热增强剂和化学交联高分子相变材料；所述化学交联高分子相变材料是由预聚物在引发剂作用下聚合而成。

3、所述电热转换定形相变材料中组分的质量百分数为：

4、化学交联高分子相变材料：60%-80%

5、聚丙烯腈碳纤维：20%-30%

6、导热增强剂：0.1-1%。

7、所述电热转换定形相变材料的相变焓值为90-100j/g、相变温度分布在41-45℃。

8、所述预聚物为甲氧基乙二醇甲基丙烯酸酯、乙烯、醋酸乙烯、乙烯基氯、苯乙烯中的至少一种；

9、所述引发剂为偶氮二异丁腈、过氧化二苯甲酰、过硫酸钾、过硫酸铵、偶氮二异庚腈、氢过氧化异丙苯、过氧化十二酰、氢过氧化对孟烷中的一种。

10、所述预聚物与引发剂的质量比为1000：5-1000：10。

11、所述导热增强剂为石墨烯、氧化石墨烯、单臂碳纳米管、多壁碳纳米管、纳米氮化硼、炭黑、膨胀石墨、纳米银、纳米铜、纳米金、铝、氧化铝、氧化铋、氧化镁、氧化锌、氮化铝、氮化铋中的1-3种。

12、一种径向传热增强有序阵列式电热转换定形相变材料的制备方法，包括以下步骤：

13、（1）将聚丙烯腈纤维置于管式炉中进行高温碳化得到聚丙烯腈碳纤维；

14、（2）将导热增强剂与溶剂混合制备成均匀的溶液，其质量分数为0.05%-5%，采用冰模板法将导热增强剂作为翅片连接到碳纤维表面得到径向传热增强碳纤维；

15、（3）将径向传热增强碳纤维阵列排布后，加入预聚物和引发剂，在70-90℃真空浸渍1-4h，冷却至室温，得到径向传热增强有序阵列式电热转换定形相变材料。

16、步骤（1）中碳化的第一阶段是碳化炉的温度由180℃升至260℃，通空气；第二阶段是在氩气保护下，将碳化炉的温度由260℃升至600℃-900℃，保温1-4h。

17、步骤（2）中所述溶剂为水、苯、甲苯、dmf、dmso、四氢呋喃、甲醇、乙醇、丙酮中的一种或两种；

18、所述导热增强剂的粒径为10-30微米。

19、一种径向传热增强有序阵列式电热转换定形相变材料的应用，该相变材料应用于人体电热疗器件或电子设备散热器件中。

20、进一步地，径向传热增强有序阵列式电热转换定形相变材料的制备方法，包括如下步骤：

21、步骤1、聚丙烯腈碳纤维的制备

22、将聚丙烯腈纤维置于管式炉中进行碳化，碳化的第一阶段是碳化炉的温度由180℃升至260℃，升温速率为1℃/min，通空气；第二阶段是在氩气保护下，将碳化炉的温度由260℃升至600-900℃（可以为600℃、700℃、800℃、900℃）, 升温速率10℃/min，保温1-4h。

23、步骤2、导热增强支撑材料制备

24、将导热增强剂与溶剂混合制备成均匀的溶液，其质量分数为0.05%-5%，采用冰模板法将导热增强剂以翅片的形式连接到碳纤维表面得到径向传热增强碳纤维；

25、步骤3、复合定形相变材料制备

26、将径向传热增强碳纤维阵列排布后，加入预聚物和引发剂（质量比为1000：5-1000：10），在70-90℃真空浸渍1-4 h，冷却至室温，得到径向传热增强有序阵列式电热转换定形相变材料。

27、该相变材料应用于人体电热疗器件或电子设备散热器件中。

28、本发明的有益效果：本发明提供了一种新型径向传热增强有序阵列式电热转换定形相变材料，以轴向高效导电通路、径向热传导增强的碳纤维有序阵列为突破口，为有序导电阵列搭建轴向的电绝缘导热通路，实现导热导电通路的分离，构建起径向热传递增强的有序阵列式电热转换定形相变体系。相比于现有技术，纤维沿电流方向有序排布，在轴向（电流方向）电导率高，可在低压下实现电热转换与热能存储，径向（电流垂直方向）导热翅片的引入形成了绝缘的高导热通路，实现导电导热通路的分离，同时与梳状定形相变材料结合构筑了高电热转换效率、低驱动电压的电热转换相变体系。

29、本技术中选取具有定形能力的化学交联高分子聚合物为相变材料，是由预聚物在引发剂作用下聚合而成。以连接导热增强翅片的聚丙烯腈碳纤维阵列作为支撑材料，负载上述高分子相变材料，得到径向传热增强有序阵列式电热转换定形相变材料。本发明制得的材料相变温度分布在41-45℃，相变焓值较高，导电、导热性能优异，运行过程中无泄漏现象，相变过程持续时间较长。该材料制备方法简单，原料丰富，具有良好的电热转换性能，在人体电热疗、电子设备散热等领域具有广泛的应用场景。