CN104650814B - 一种相变热整流器及其制备方法 - Google Patents

一种相变热整流器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种相变热整流器及其制备方法。该热整流器由多孔材料和相变材料复合而成，多孔材料为相变热整流器的骨架，在多孔材料骨架的两端分别负载不同种类和比例的相变材料。本发明通过多孔材料对相变材料的吸附负载来制备热整流器，制备工艺简单、省时，所成功制得的复合相变材料即为具有宏观尺寸热整流效果的相变热整流器。

Description

一种相变热整流器及其制备方法
技术领域
本发明属于声子器件技术领域，涉及一种基于相变材料的热整流器，尤其涉及一种以多孔材料为骨架，且与固-液相变材料进行复合的热整流器及其制备方法。
背景技术
声子器件的出现，比如热二极管、热晶体管、热逻辑门、以及热储存器等，不仅拓展了信息科学和技术领域的研究方向，更重要的是，它们还能被广泛地应用于热能管理，因此吸引了越来越多的基础科学和应用研究者的关注。所谓的热整流器，是指当热能沿着热整流器的一个方向流动时，它是热的良导体，而当热能沿着相反方向流动时，它就转变为热的绝缘体。基于碳纳米管的纳米热整流器已经由科研人员实现，通过在单根碳纳米管上的一端沉积一层非晶材料C9H16Pt，从而造成了不对称的声子-边界散射来产生热整流效果。理论上，各种纳米结构已被预测具有热整流特征，比如三角形的石墨纳米盘、Y型石墨纳米盘、3D不对称纳米结构等等。纳米热整流现象的机理可概括为，由其结构的两端功率谱的匹配/不匹配所导致。
上述纳米热整流器是基于声子谱的不匹配，即是由质量或几何的不对称性造成的。然而，由于在纳米尺度对材料进行如此精细的微观操作是非常困难的，所以这对纳米器件的设计和制造而言是相当大的挑战。
发明内容
本发明旨在提供一种相变热整流器及其制备方法，构筑一类相变材料与多孔骨架材料的宏观复合体系，以使整个器件在特定温度下具有热整流效应。本发明首次采用相变材料实现了宏观体系在特定温度下具有热整流效果的目的，并成功通过多孔骨架材料解决了固-液相变材料应用时常面临的泄漏问题、以及在相变过程中体积变化导致的破坏容器问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的相变热整流器，由多孔材料和相变材料复合而成，所述的多孔材料为相变热整流器的骨架，所述多孔材料骨架的两端负载不同的相变材料。
优选地，所述相变材料选自固-液相变材料中的二种或者多种；比如不同分子量的PEG、不同分子量的石蜡等。
优选地，所述多孔材料能吸附相变材料，选自碳纳米管海绵、碳纳米管阵列、还原氧化石墨烯气凝胶、二氧化硅气凝胶等。
优选地，所述相变材料在热整流器中的质量分数为50％～98％。
优选地，所述多孔材料骨架两端的相变材料的相变温度不同，当热整流器两端的温度不同，并使得具有较低相变温度的相变材料发生固-液相变后，由于此相变材料的热导率发生突变，从而使得热整流器起到热整流的效果。
优选地，所述多孔材料骨架两端的相变材料的热导率不同。
本发明制备上述热整流器的方法，主要包括以下步骤：
1)制备液态相变材料；
2)把多孔材料制作成样条；
3)在样条的两端分别负载不同的液态相变材料，得到相变热整流器。
优选地，步骤1)通过将相变材料分别配制成溶液(溶液的质量分数为5％～65％)或是直接加热至相变温度使其熔化成液态制备液态相变材料。
优选地，步骤1)根据不同的相变材料，选取不同的溶剂，溶剂应选择沸点较低的。
优选地，上述方法还包括在液态相变材料中添加不同的纳米粉末(比如纳米石墨粉、纳米碳化硅等)来调节相变材料的热导率，再负载到样条上。
优选地，步骤2)可以通过剪裁，或直接使用模具将多孔材料制作成不同形状的样条，样条的形状可以是长方形，也可以是三角形等不同的几何形状。
优选地，步骤3)包括在一根样条的两端滴加不同的液态相变材料，并真空干燥，得到相变热整流器；或者在两根样条上分别滴加不同的液态相变材料，并真空干燥后再压合为两端具有不同相变材料的样条，得到相变热整流器。
优选地，上述真空干燥时的温度应选择两种相变材料的相变温度的中间值。
优选地，步骤3)在样条两端负载不同的液态相变材料时，应先负载熔点较高的液态相变材料，同时所使用的两种液态相变材料不能互溶。
优选地，步骤3)在样条两端负载不同的液态相变材料时，可以对称负载，也可以不对称负载。
我们发明了一种通过固-液相变材料的相变过程来控制热流的热整流器。然而，固-液相变材料在实际应用中往往会受到一些阻碍，如相变后材料的泄漏，以及在相变过程中较大的体积变化等问题。纳米限域技术是目前解决上述问题最有效的方法之一，它不仅可以防止液相材料的泄漏，减小体积变化的影响，还可以对相变材料进行功能化，比如使相变材料具有电热转化和光热转化等功能。纳米限域技术可采用多孔材料。
本发明的有益效果如下：
本发明通过多孔骨架材料对相变材料的吸附负载来制备热整流器，其制备工艺与现有的其他热整流器制备工艺相比，具有简单、省时的特点，同时解决了固-液相变材料应用时常面临的泄漏问题、以及在相变过程中体积变化导致的破坏容器的问题。
当两端的相变材料一定时，通过采用不同的多孔骨架材料和调整骨架材料的形状结构，可获得最优化的热整流效果；当多孔骨架材料一定时，通过改变两端负载的相变材料的种类或比例，可获得最优化的热整流效果。
附图说明
图1是本发明实施例1热整流器结构示意图。
图2是本发明实施例2测试样条的外观照片。
图3是本发明实施例2获得样品的中间界面的扫描电镜图。
图4是本发明实施例5热整流器结构示意图。
具体实施方式
实施例1
本实施例的热整流器，其中多孔材料选取碳纳米管海绵，相变材料选取为PEG1000和硬脂酸，溶剂为二氯甲烷和无水乙醇。
本实施例的制备过程是：
首先分别把1g的硬脂酸溶于10mL的二氯甲烷，1g的PEG1000溶于10mL的无水乙醇，然后准确称量长方形(尺寸为：25.0×6.0×1.2mm3)的碳纳米管海绵的质量，将已知浓度的两种相变材料溶液分别滴加到碳纳米管海绵的两端，然后将样品置于真空干燥箱内并控制箱内温度为40℃，干燥过夜后得到长方形热整流器器件，质量约为0.5g，相变材料的含量为92.8％。图1为其示意图，左侧为PEG1000，右侧为硬脂酸，相变材料被碳纳米管海绵所包覆。
热整流测试：样品两端分别贴于热库和加热器上，并在两端贴上热电偶来测量温度的变化。测试先由一端开始加热，记录另一端的温度变化曲线，并计算输入功率的大小，然后再反过来测试。通过计算两个方向热流和温度的不同，来得到热整流系数。
测试结果：热整流器是由碳纳米管海绵为骨架，两端分别负载PEG1000和硬脂酸，即高温端(硬脂酸)和低温端(PEG1000)。我们规定热流从高温端向低温端传递的是正方向，从低温端向高温端的为逆方向。根据公式P＝r﹒I2可以计算出，输入热流端的热功率。这里r和I为加热系统的电阻和电流。正方向的热功率(P+)与逆方向的热功率(P-)的比值为热整流系数(R＝P+/P-)。
测试结果表明，热整流器器件的正方向的热功率(P+)与逆方向的热功率(P-)分别为420mW和400mW，其热整流系数为1.05。
实施例2
本实施例的热整流器，其中多孔材料选取还原氧化石墨烯气凝胶，相变材料为PEG4000和二十烷，溶剂为二氯甲烷和无水乙醇。
本实施例的制备过程是：
首先把1g的二十烷和PEG4000分别溶于10mL的二氯甲烷和无水乙醇，然后准确称量长方形(尺寸为：25.0×6.0×0.8mm3，如图2所示)的还原氧化石墨烯气凝胶的质量，将已知浓度的两种相变材料溶液分别滴加到还原氧化石墨烯气凝胶的两端，然后将样品置于真空干燥箱内并控制箱内温度为40℃，干燥过夜后取出样品，其质量为0.8g，相变材料的含量为88.5％。图3为热整流器界面的扫描电镜照片，左侧为负载二十烷的还原氧化石墨烯气凝胶，右侧为负载PEG4000还原氧化石墨烯气凝胶。
测试结果表明，热整流器器件的正方向的热功率(P+)与逆方向的热功率(P-)分别为940mW和760mW，其热整流系数为1.23。
实施例3
对实施例2的样条进行剪裁，将其从长方形剪裁成正三角形边长为6.0mm，已知浓度的两种相变材料溶液分别滴加到样条的两个角上，其他制备条件相同。最终得到的热整流器器件的正方向的热功率(P+)与逆方向的热功率(P-)分别为950mW和650mW，热整流系数可以达到1.46。
实施例4
本实施例的热整流器，其中多孔材料选取还原氧化石墨烯气凝胶，相变材料为PEG4000和二十烷。
本实施例的制备过程是：
首先把10g的二十烷和PEG4000在烘箱中熔融，然后准确称量长方形的还原氧化石墨烯气凝胶样品质量，将两种相变材料液体分别滴加到长方形还原氧化石墨烯气凝胶的两端，然后将样品置于真空干燥箱内并控制箱内温度为60℃，在干燥过夜后取出样品，其质量为4.0g，相变材料的含量为97.4％。
测试结果表明，热整流器器件的正方向的热功率(P+)与逆方向的热功率(P-)分别为1440mW和940mW，热整流系数可以达到1.53。
实施例5
本实施例的热整流器，其中多孔材料选取憎水二氧化硅气凝胶，相变材料为PEG6000和十八烷，溶剂为二氯甲烷和无水乙醇。
本实施例的制备过程是：
首先把1g的十八烷和PEG6000分别溶于10mL的二氯甲烷和无水乙醇，然后分别准确称量两份10g的憎水二氧化硅气凝胶样品，将已知浓度的两种相变材料溶液分别滴加到两份憎水二氧化硅气凝胶，然后将样品置于真空干燥箱内并控制箱内温度为40℃，通过压样机将两种复合相变材料按1:3(十八烷：PEG6000)的长度比例压成一个长方形样条，其质量为1.2g，相变材料的含量为90.1％。图4为其结构示意图，左侧为十八烷，右侧为PEG6000，两种相变材料被吸附在二氧化硅气凝胶中。
测试结果表明，热整流器器件的正方向的热功率(P+)与逆方向的热功率(P-)分别为590mW和510mW，其热整流系数为1.16。
实施例6
在实施例4的基础上，在PEG4000内添加了10％wt纳米石墨粉，使得其热导率增加到了0.60w/mK。测试结果表明，热整流器器件的正方向的热功率(P+)与逆方向的热功率(P-)分别为1460mW和1020mW，其热整流系数为1.43。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims (9)

1.一种相变热整流器，由多孔材料和固-液相变材料复合而成，所述的多孔材料为相变热整流器的骨架，所述多孔材料骨架的两端负载相变温度不同、热导率不同且互不相溶的固-液相变材料。
2.如权利要求1所述的相变热整流器，其特征在于，所述多孔材料选自碳纳米管海绵、碳纳米管阵列、还原氧化石墨烯气凝胶、二氧化硅气凝胶。
3.权利要求1-2任一所述的相变热整流器的制备方法，包括以下步骤：
1)制备液态相变材料；
2)把多孔材料制作成样条；
3)在样条的两端分别负载不同的液态相变材料，得到相变热整流器。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤1)通过将相变材料分别配制成溶液或是直接加热至相变温度使其熔化成液态制备液态相变材料。
5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，还包括在液态相变材料中添加不同的纳米粉末来调节相变材料的热导率，再负载到样条上。
6.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤2)通过剪裁，或直接使用模具将多孔材料制作成不同形状的样条。
7.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤3)包括在一根样条的两端滴加不同的液态相变材料，并真空干燥，得到相变热整流器；或者在两根样条上分别滴加不同的液态相变材料，并真空干燥后再压合为两端具有不同相变材料的样条，得到相变热整流器。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，真空干燥时的温度为两种相变材料的相变温度的中间值。
9.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤3)在样条两端负载不同的液态相变材料时，先负载熔点较高的液态相变材料，同时所使用的两种液态相变材料不能互溶。
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