CN103411456A - 基于工作物质贮存和相变原理实现温控转换导热/隔热性能的组合材料 - Google Patents

基于工作物质贮存和相变原理实现温控转换导热/隔热性能的组合材料 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于工作物质贮存和相变原理，能够根据温度变化转换导热/隔热性能的组合材料。具体结构为采用在外壳材料构成的内腔中充入导热工作物质，并放置工作物质的贮存构造，工作物质可吸附或浸润在贮存构造中，当温度低于转变温度时，工作物质以固相或液相吸附在贮存构造中，此时内腔处于真空状态，使得材料整体具有良好的真空隔热性能；当温度高于转变温度时，工作物质相变为气态，此时材料整体以真空热管原理实现高导热性能。根据实际使用需要可采用多种外壳材料、多孔芯材和工作物质进行组合，通过不同抽真空程度得到不同内腔压强，可以改变工作物质的沸点，进而改变材料的导热/隔热转变温度。

Description

基于工作物质贮存和相变原理实现温控转换导热/隔热性能的组合材料
技术领域
本发明属于材料技术领域，具体涉及一种基于工作物质贮存和相变原理，能够根据温度变化转换导热/隔热性能的组合材料。
背景技术
根据导热系数不同而研发制造的导热或隔热材料一直以来是材料科学和工业领域的重点研究对象。高性能的导热材料和隔热材料近年来发展迅速，在各领域应用中发挥了显著的作用。目前，高性能的导热技术主要由石墨、金属、陶瓷等致密材料，或真空热管等技术来实现，高性能隔热技术主要利用多孔材料，高分子材料的低导热系数，或者真空隔热技术。然而目前公开的技术中，一种材料在热性能方面均有固有属性，或为导热材料，或为隔热材料。自体材料的导热性能可根据使用需要进行转换改变，即某种条件下成为导热体，而某种条件下又成为隔热体的技术研究却没有见到报道。此类型概念中，通过温度变化来改变的导热、隔热性能的材料，将在众多工业和科研领域有很大的使用价值。
类似专利及文献检索：本发明所述的材料概念目前尚未见到公开报道。本发明涉及真空热导管原理，该原理于1944年被授权美国专利U.S. Patent.p.4.2350348，目前已过专利保护期。
发明内容
本发明的目的在于通过导热工作物质的贮存和相变，使得同一材料在不同温度下具有不同的导热/隔热性能，两种状态下材料的导热系数相差较大，从而实现较大程度的导热/隔热性能的切换。
本发明实现温控转换导热/隔热性能的组合材料主要采用在外壳材料构成的内腔中充入导热工作物质，并放置工作物质的贮存构造，该贮存构造与外壳之间有一定间隙。导热工作物质为固相或液相工作物质，该工作物质可吸附或浸润在贮存构造中，同时不易附着在壳材的内表面。外壳材料封闭后在内腔中抽真空。
工作物质在真空状态下的固--气、液--气相变点即为该材料的热性能转变温度，当温度低于转变温度时，工作物质以固相或液相吸附在贮存构造中，此时贮存构造外的内腔处于真空状态，使得材料整体具有良好的真空隔热性能；当温度高于转变温度时，工作物质相变为气态，此时气态工作物质和真空腔共同组成类真空热管的构造，材料整体以真空热管原理实现高导热性能。
根据实际使用需要可采用多种外壳材料、设计贮存构造和工作物质进行组合，可获得不同的实用优势，如较高的转变温度（如以液态金属为工作物质），或利于环保成本低廉（如以水为工作物质），或重量轻易加工（如采用有机材料），具体实施例见下详述。
附图说明
图1为本发明以多孔亲水性SiO2芯材作为贮存构造、有机玻璃外壳、填充水为工作物质为例的组合板材的原理示意图（截面图）。
具体实施方式
实施例一：
以水为工作物质的温控转换导热/隔热性能的组合板材
本发明实现以水为工作物质的温控转换导热/隔热性能的组合板材采用以下方法：如附图1所示，A为以有机玻璃板制成两层外壳和四边封闭，有机玻璃板内表面通过油润等表面处理手段增加憎水性。B为多孔陶瓷-亲水性SiO2板状芯材，固定在组合材料内腔中，与有机玻璃板A有一定空隙。空腔内注入水后，密封整块板材，抽真空至－0.09MPA。水在该压强下的沸点约为48℃，在此温度以下，水以液态形式凝结吸附在SiO2芯材的内表面上，或在更低温度下水以固态冰形式凝结在芯材孔内，SiO2芯材与有机玻璃板之间形成两层真空腔C，具有良好绝热性能；在此温度以上，液态水相变为气体后从SiO2芯材中蒸发出来，在低压型腔内形成真空热管效应，使组合材料整体具有良好导热性能。
组合材料中各部分尺寸参数，多孔材料的孔径，比表面积和水的填充量由具体使用要求决定。同时，通过不同抽真空程度得到不同内腔压强，也可以改变水的沸点，进而改变材料的导热/隔热转变温度。
实施例二
以液态金属为工作物质的温控转换导热/隔热性能的组合板材（转变温度350℃）
类似实施例一，采用高沸点的汞为工作物质可达到约350℃的转变温度，以汞不侵润的耐高温板材制成两层外壳和四边封闭。贮存构造采用高比表面积的亲汞的金属型材（如泡沫铁，蜂窝构造的钢材等）。空腔内注入汞后，密封整块板材，抽真空至负压。汞在低压下的沸点约为350℃，在此温度以下，汞以液态形式凝结吸附在贮存构造中，内部形成两层真空腔；在此温度以上，汞相变为气体后从贮存构中蒸出，在低压型腔内形成真空热管。
实施例三
以有机材料为工作物质的温控转换导热/隔热性能的组合板材
类似实施例一，采用低沸点的有机物为工作物质（例如烷烃类），以疏油表面材料制成两层外壳和四边封闭。贮存构造采用多孔高分子材料。空腔内注入液态有机物后，密封整块板材，抽真空至负压。在工作物质沸点温度以下，有机物以液态形式凝结吸附在多空高分子内表面，内腔形成真空；在沸点温度以上，有机物相变为气体后从多孔材料中蒸出，在低压型腔内形成真空热管。

Claims (6)

1.基于工作物质贮存和相变原理实现温控转换导热/隔热性能的组合材料。
2.根据权利要求1所述的一种温控转换导热/隔热性能的组合材料，其特征在于使用高比表面积材料为工作物质的贮存构造。
3.根据权利要求1，2所述的一种温控转换导热/隔热性能的组合材料，其特征在于使用高比表面积的多孔材料为工作物质的贮存构造。
4.根据权利要求1，2，3所述的一种温控转换导热/隔热性能的组合材料，其特征在于使用水为工作物质，亲水多孔材料为工作物质的贮存构造，憎水板材为外壳材料，内腔抽真空至低压，材料在水的沸点以上以真空热管原理导热，在水的沸点以下形成真空层实现隔热。
5.根据权利要求1，2，3所述的一种温控转换导热/隔热性能的组合材料，其特征在于使用金属为工作物质，亲金属多孔材料为工作物质的贮存构造，液态金属不浸润板材为外壳材料，内腔抽真空至低压，材料在金属的沸点以上以真空热管原理导热，在金属的沸点以下形成真空层实现隔热。
6.根据权利要求1，2，3所述的一种温控转换导热/隔热性能的组合材料，其特征在于使用有机物为工作物质，亲有机物多孔材料为工作物质的贮存构造，疏有机物板材为外壳材料，内腔抽真空至低压，材料在有机物的沸点以上以真空热管原理导热，在有机物的沸点以下形成真空层实现隔热。
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