CN104909355A - 一种复合石墨材料及其作为热波转化材料的应用 - Google Patents
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Abstract
一种复合石墨材料，包括以下组分及重量配比：可膨胀石墨70%~100%；类石墨烯材料0~30%；纳米碳管0~30%；其中，所述类石墨烯材料的堆积密度 0.15g/cm3~0.3 g/cm3 , 粒度50目~300目。本发明还涉及该复合石墨材料在热波转化材料中的应用。本发明具有以下有益效果：1）提供了一种复合石墨材料，低温下(10～50?C)具有很高的热波转化效率，且利用了石墨的定向导热的性能，导热效率高，速度快，成本低；2）该复合石墨材料作为热波转化材料的应用，该热波转化材料实现红外线波和热能的双向低温转化，实现空间内的制热和制冷。
Description
技术领域
本发明属于复合材料领域，具体涉及一种复合石墨材料。此外，本发明还涉及该复合石墨材料作为热波转化材料的应用。
背景技术
根据热物理学定理：一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射；当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现象，即吸收、反射和穿透。热能热辐射率越大，表面该材料辐射出的能量占吸收能量的比重就愈大。
作为传热的三种方式之一，热辐射具有传导、对流所不具备的优点，如不需要接触、不需要介质。使用金属材料作为热辐射源时，常温下的热波转化效率只有20%-30%，存在效率偏低的问题。而金属材料作为热辐射吸热材料，需要极度改变其表面特性，才能提高吸收比例。
19世纪60年代初，Brodie将天然石墨与硫酸和硝酸等化学试剂作用后加热，产生了膨胀石墨。石墨粒子沿C轴方向高倍地膨胀，形成蠕虫状的膨胀石墨，从而结构松散，多孔而弯曲，表面积扩大、表面能提高，蠕虫状石墨之间可自行嵌合，这样增加了它的柔软性和可塑性。同时石墨的六角平面网络晶体结构保持完整，结构稳定，抗化学腐蚀性强，耐高温，因此膨胀石墨（或称柔性石墨）被广泛地应用于密封材料上。
蠕虫状的膨胀石墨，各层粒子高倍膨胀，类晶体体积在C轴方向上几百倍的扩大，使得膨胀石墨可以在某个方向有很大的热、电传导能力；由于其柔软性和可塑性，低密度，近年来被开发成导热、导电界面材料。其蠕虫状的结构，存在很多结构间隙。这些细小的间隙，也能构成黑洞效应，吸收热辐射波；其枝状结构构成天线状，有助于本体热辐射。
石墨烯材料具有更大的比表面积，有助于本体热辐射；层数在20-250层的类石墨烯材料在制造成本上更有的优势。而纳米碳管的管状结构，形成了很好的黑体效果。使得以波的形式存在的热辐射能量能够被高效地吸收并转化为热。
因此，可以将各种石墨类材料复合作为成为一种热波（及波热）转化材料，从而获得高于金属材料的热波转化效率，环保且用于高效节能的热管理，并有性能稳定、寿命长的物质成为可能。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明的目的之一是提供一种复合石墨材料，该复合石墨材料低温状态就可以达到较高的热波转化效率，即本材料在低温（比如10-50oC）下就能高效转化成红外线波; 而低强度的红外线波（如人体发射的红外线）就能高效被吸收，转化成热，并且这热不断被传导走时，保证高效的吸收红外线波。该目的通过以下技术方案实现。
一种复合石墨材料，包括以下组分及重量配比：可膨胀石墨70%~100%；类石墨烯材料0~30%；纳米碳管0~30%；其中，所述类石墨烯材料的堆积密度 0.15g/cm3~0.3
g/cm3 。 该复合石墨材料也可以为纯膨胀石墨制成。
本发明的复合石墨材料具有很高的热辐射率，热波转化效率高，室温时，该材料的理论热波转化效率可达60% 及以上，而现有的金属材料吊顶在室温下只有20%~30%的热波转化效率。
该复合石墨材料在生产过程中，通过挤压成型使得膨胀石墨单元的排列方向相同，从而能产生不同方向上导热率的各向异性，得益于这一性能，热量在该复合石墨材料中能快速、定向地进行传导，效率高，能根据不同的使用需求使用。该复合石墨材料表面充满微细枝状和间隙，能够高效热辐射或热吸收。
作为本发明的一种优选的方案，该复合石墨材料包括以下组分及重量配比：可膨胀石墨70%~80%；类石墨烯材料10~20%；纳米碳管10~20%；其中，所述类石墨烯材料的堆积密度 0.2g/cm3~0.25
g/cm3；纳米碳管为单壁或多壁管。类石墨烯材料，和纳米碳管更多均匀分布在复合石墨材料的表面。
作为优选，所述复合石墨材料的密度为0.01g/cm3~1.5
g/cm3。通过控制挤压成型工艺可以获得不同的密度，合适的密度使得复合石墨材料的导热率与热辐射率有所差别，能适应不同的使用环境。
作为本发明的一种优选的方案，该复合石墨材料的密度为0.4g/cm3~1.2
g/cm3。
作为优选，所述复合石墨材料的表面为经过拉毛处理的粗糙表面，能提高波热转化效率。
本发明的目的之二是提供该复合石墨材料在热波转化材料中的应用，该目的通过以下技术方案实现。
一种复合石墨材料作为热波转化材料的应用，所述热波转化材料的厚度0.1mm~ 10mm。该热波转化材料通过将所述的复合石墨材料挤压成型后制得，本申请中定义该热波转化材料为Etran。挤压成型后的Etran中膨胀石墨蠕虫的排列方向一般在平面方向，从而产生不同方向上导热率的各向异性，使得其横向方向上导热率高，能迅速的将热源传导过来的热量快速横向传递，使整片热波转化材料快速均匀热起来；表面充满微细枝状和间隙，能够高效热辐射或热吸收。
即：制热时，外来热量可以传导到Etran，其表面通过辐射的方式（表现为红外线辐射的形式）将热量散到室内；制冷时，环境物体散发的红外波，波能被吸收并转化成热，使得Etran整体快速升温。利用外界结构，比如通过传导把热带走，Etran材料不能升温，甚至降温，实现持续吸热。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1）提供了一种复合石墨材料，具有很高的热波转化效率，且利用了石墨的定向导热的性能，导热效率高，速度快，成本低；该材料也可以传导到其它物质，实现热能的传播2）该复合石墨材料作为热波转化材料的应用，该热波转化材料实现红外线波和热能的双向低温转化，实现空间内的制热和制冷。
附图说明
图1为热波转化材料一种应用实例的温度分布对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明作进一步描述。
选择以下实施例中的组分及重量配比，进行模压成型。
从以上实施例中可以看出，本发明的复合石墨材料具有很高的热波转化效率，该复合石墨材料作为热波转化材料使用时，例如作为热波转化天花板使用时，相比传统的空调系统，具有很好的节能效果。见图1，图1中左侧示意图为使用本发明的热波转化天花板（波谱系统）工作时，房间内垂直方向上的温度分布，中间示意图为传统空调系统工作时房间内垂直方向上的温度分布，对比可发现空调的热风对流加热方式将大部分能源用于加热空气，且热空气盘踞房间中上部，造成能源浪费，而波谱系统通过热辐射的方式直接将热量辐射到房间中的人、座椅、地板等物件上，避免了加热空气，避免了大部分能源的浪费，从图1中的右侧图可直观的看出传统空调系统比波谱系统多消耗的能量。
本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种复合石墨材料，其特征在于，包括以下组分及重量配比：膨胀石墨70%~100%；类石墨烯材料0~30%；纳米碳管0~30%；其中，所述类石墨烯材料的堆积密度 0.15g/cm3~0.3 g/cm3 , 表观粒度50目~300目。
2.根据权利要求1所述的一种复合石墨材料，其特征在于，包括以下组分及重量配比：膨胀石墨70%~80%；类石墨烯材料10~20%；纳米碳管10~20%；其中，所述类石墨烯材料的堆积密度 0.2g/cm3~0.25 g/cm3
, 粒度150目~200目。
3.根据权利要求2所述的一种复合石墨材料，其特征在于，所述复合石墨材料的密度为0.01g/cm3~1.5
g/cm3。
4.根据权利要求3所述的一种复合石墨材料，其特征在于，所述复合石墨材料的密度为0.4g/cm3~1.2
g/cm3。
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种复合石墨材料，其特征在于，所述复合石墨材料的热波转化≥60%。
6.根据权利要求1至4任一项所述的一种复合石墨材料，其特征在于，所述复合石墨材料的表面为经过拉毛处理的粗糙表面。
7.根据权利要求1至4任一项所述的一种复合石墨材料作为热波转化材料的应用，其特征在于，所述热波转化材料的厚度0.1mm~ 10mm，该材料能够实现红外线和热之间在温度区间10-50°C内的高效双向转化。
8.根据权利要求5所述的一种复合石墨材料作为热波转化材料的应用，其特征在于，所述热波转化材料的厚度0.1mm~ 10mm, 该材料能够实现红外线和热之间在温度区间10-50°C内的高效双向转化。
9.根据权利要求6所述的一种复合石墨材料作为热波转化材料的应用，其特征在于，所述热波转化材料的厚度0.1mm~ 10mm, 该材料能够实现红外线和热之间在温度区间10-50°C内的高效双向转化。
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