一种高光谱吸收陶瓷壳包覆金属芯材的集储热一体复合材料及其制备方法和用途

本发明属于太阳能光热转换和相变储能领域，具体涉及一种高光谱吸收陶瓷壳包覆金属芯材的集储热一体复合材料及其制备方法和用途。

背景技术：

1、化石能源的大量燃烧带来了全球能源危机和气候变化问题，太阳能是绿色能源技术最有希望的候选者之一。太阳能受到季节和天气的影响，具有波动性和间歇性的缺点，因此引入储能技术实现能源的供需平衡。在众多储热技术中，相变储热具有恒定的工作温度和较大的储热密度，因此被大量研究。目前常见的相变储能材料有熔融盐和金属材料，其中熔融盐储能材料的研究存在泄露和腐蚀的问题，严重限制了其实际应用前景。金属材料凭借更大的相变焓、更高的工作温度和热导率、更好的防泄漏性能，受到越来越多的关注。此外，新兴的集储热一体技术是材料的黑色外表直接捕获太阳能并转变为热能存储在内部的相变材料中，避免了复杂的传热过程，使得太阳能的利用效率进一步提高。

2、目前针对金属材料的封装方式是胶囊封装技术，用氧化铝陶瓷壳封装铝基金属球，有效解决了金属材料在熔点以上温度的流动和泄露问题，取得了非常好的效果。但氧化铝材料固有的太阳光谱波段低吸收的特点极大限制了太阳能利用效率，这成为金属材料相变储能技术在太阳能利用中的主要问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种高光谱吸收陶瓷壳包覆金属芯材的集储热一体复合材料及其制备方法和用途，以解决现有技术中存在的氧化铝材料固有的太阳光谱波段低吸收的特点极大限制了太阳能利用效率的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种高光谱吸收陶瓷壳包覆金属芯材的集储热一体复合材料的制备方法，包括以下步骤：

4、步骤s1，在金属芯材的表面包覆一层牺牲层；

5、步骤s2，取陶瓷壳的原料粉末并混合均匀，加入粘结剂，混合均匀后包覆在牺牲层的外表面，干燥去除水分；

6、步骤s3，将步骤s2制得的生料放进高温炉中，烧结，制得高光谱吸收陶瓷壳包覆金属芯材的集储热一体复合材料。

7、优选的，所述步骤s1中，牺牲层的厚度为0.5-5mm，牺牲层的材质为高温含氧气氛下能够烧失的物质，例如木质素、纤维素、石蜡、碳粉、聚乙二醇的一种。

8、优选的，所述步骤s1中，金属芯材为单质金属或合金，所述单质金属选自铝(al)、铅(pb)、镍(ni)、钇(y)、钛(ti)、铁(fe)、锰(mn)、铬(cr)、钠(na)、钙(ca)、钡(ba)中的一种；所述合金为上述单质金属的一种或多种和单质硅的合金。

9、优选的，所述步骤s2中，按照质量百分比，陶瓷壳原料的组成为：三氧化二铝10-30wt%、三氧化二铁4-20wt%、二氧化锰1-10wt%、其余成分为冶金固废（例如炉渣、钢渣、烟囱灰）、燃煤固废（例如粉煤灰）、尾矿（例如铁尾矿、锰尾矿、铜尾矿、镁尾矿）、污泥、天然泥土中的一种或几种；所述陶瓷壳的原料粉末的粒径为10nm-50um。

10、优选的，所述步骤s2中，粘结剂为粘结剂固体粉末或者粘结剂溶液，所述粘结剂选自环氧树脂、聚氨酯、橡胶、木质素、纤维素、聚乙二醇、面粉、淀粉、羟甲基纤维素钠、有机硅树脂的一种；陶瓷粉末和粘结剂的质量比为99.7:0.3-80:20。

11、优选的，所述步骤s2中，在牺牲层外表面包覆陶瓷壳粉末的方法如下：

12、（1）对于球体，采用锅式造粒机或者盘式成球机包覆，混合均匀的陶瓷粉末与步骤s1制得的包覆牺牲层的芯材一起放进成球机内，成球机内喷洒粘质量分数为0-15wt%的结剂溶液，金属芯材不断滚动实现原料粉末在牺牲层外表面的包覆；

13、（2）对于圆柱体、长方体、圆环体、圆弧体，首先把陶瓷粉末和粘结剂固体粉末混合均匀，然后采用模具压制的方法将陶瓷粉体包覆在牺牲层上。

14、优选的，所述步骤s3中，在900-1600℃烧结0.5-10小时，升温速率为1-10℃/min。

15、一种所述的方法制备的高光谱吸收陶瓷壳包覆金属芯材的集储热一体复合材料。

16、所述复合材料的形状是圆柱体、球体、长方体、圆环体、圆弧体的一种或多种。

17、所述的高光谱吸收陶瓷壳包覆金属芯材的集储热一体复合材料在太阳能高温聚光系统中的用途，该复合材料能够直接吸收太阳光并储存能量。

18、有益效果

19、1、本发明的集储热一体复合材料，陶瓷外壳万能配方中含有高含量的固废，不仅有助于消纳各种固废，绿色环保，也降低了生产成本，有助于实现在太阳能热发电领域中的大规模应用。

20、2、本发明的集储热一体复合材料，其陶瓷壳平均光谱吸收率达到91.8%，实现了储能材料集热、储热一体的集成，提升了太阳能利用效率。

21、3、本发明的集储热一体复合材料，具有极好的防泄漏性，有效克服了传统熔融盐相变储热材料易泄露、腐蚀性大的缺点；此外，复合材料还具有高温稳定性、抗热震性，可以保障系统长久稳定运行。

技术特征：

1.一种高光谱吸收陶瓷壳包覆金属芯材的集储热一体复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的高光谱吸收陶瓷壳包覆金属芯材的集储热一体复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤s1中，牺牲层的厚度为0.5-5mm，牺牲层的材质为木质素、纤维素、石蜡、碳粉、聚乙二醇的一种。

3.根据权利要求1所述的高光谱吸收陶瓷壳包覆金属芯材的集储热一体复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤s1中，金属芯材为单质金属或合金，所述单质金属选自铝(al)、铅(pb)、镍(ni)、钇(y)、钛(ti)、铁(fe)、锰(mn)、铬(cr)、钠(na)、钙(ca)、钡(ba)中的一种；所述合金为上述单质金属的一种或多种和单质硅的合金。

4.根据权利要求1所述的高光谱吸收陶瓷壳包覆金属芯材的集储热一体复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤s2中，按照质量百分比，陶瓷壳原料的组成为：三氧化二铝10-30wt%、三氧化二铁4-20wt%、二氧化锰1-10wt%、其余成分为冶金固废、燃煤固废、尾矿、污泥、天然泥土中的一种或几种；所述陶瓷壳的原料粉末的粒径为10nm-50um。

5.根据权利要求1所述的高光谱吸收陶瓷壳包覆金属芯材的集储热一体复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤s2中，粘结剂为粘结剂固体粉末或者粘结剂溶液，所述粘结剂选自环氧树脂、聚氨酯、橡胶、木质素、纤维素、聚乙二醇、面粉、淀粉、羟甲基纤维素钠、有机硅树脂的一种；陶瓷粉末和粘结剂的质量比为99.7:0.3-80:20。

6.根据权利要求1所述的高光谱吸收陶瓷壳包覆金属芯材的集储热一体复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤s2中，在牺牲层外表面包覆陶瓷壳粉末的方法如下：

7.根据权利要求1所述的高光谱吸收陶瓷壳包覆金属芯材的集储热一体复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤s3中，在900-1600℃烧结0.5-10小时，升温速率为1-10℃/min。

8.一种权利要求1-7任一所述的方法制备的高光谱吸收陶瓷壳包覆金属芯材的集储热一体复合材料。

9.根据权利要求8所述的高光谱吸收陶瓷壳包覆金属芯材的集储热一体复合材料，其特征在于：所述复合材料的形状是圆柱体、球体、长方体、圆环体、圆弧体的一种或多种。

10.权利要求8所述的高光谱吸收陶瓷壳包覆金属芯材的集储热一体复合材料在太阳能高温聚光系统中的用途。

技术总结
本发明公开了一种高光谱吸收陶瓷壳包覆金属芯材的集储热一体复合材料及其制备方法和用途，制备方法包括以下步骤：步骤S1，在金属芯材的表面包覆一层牺牲层；步骤S2，取陶瓷壳的原料粉末并混合均匀，加入粘结剂，混合均匀后包覆在牺牲层的外表面，干燥去除水分；步骤S3，将步骤S2制得的生料放进高温炉中，烧结，制得高光谱吸收陶瓷壳包覆金属芯材的集储热一体复合材料。本发明的集储热一体复合材料，陶瓷外壳万能配方中含有高含量的固废，不仅有助于消纳各种固废，绿色环保，也降低了生产成本，有助于实现在太阳能热发电领域中的大规模应用。

技术研发人员：杨理理,李冲,张津瑞,王刚
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15