CN108048046B - 以泡沫铜为基体的复合相变材料及其制备方法与蓄热包 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种以泡沫铜为基体的复合相变材料及其制备方法与蓄热包，涉及相变材料领域，该以泡沫铜为基体的复合相变材料包括以层状结构交替设置的泡沫铜金属层和石墨烯层，所述泡沫铜金属层含有相变材料。利用该复合相变材料能够缓解现有技术中的泡沫金属与相变材料复合后热传导效率低以及容易漏液的技术问题，达到提高导热效率和减少渗漏的目的。

Description

以泡沫铜为基体的复合相变材料及其制备方法与蓄热包
技术领域
本发明涉及相变材料技术领域，尤其是涉及一种以泡沫铜为基体的复合相变材料及其制备方法与蓄热包。
背景技术
相变材料是利用材料在相变过程中伴随的大量吸热和放热效应进行能量储存和温度调控的物质的统称。相变材料在建筑节能、道路交通、现代农业温室、太阳能利用、食品的冷藏和运输、医疗保健、电子设备散热、运动员降温和保暖服饰、特殊控温服装、航天科技、军事红外伪装、电力移峰填谷、工业余热储存利用、热能回收等诸多领域具有广阔的应用前景。
随着金属制备工艺的不断发展，泡沫金属以其比重轻，比表面积大等特点而广泛应用于过滤、屏蔽、吸音及碱性二次电池和催化剂载体等方面。
目前，常用的复合相变材料是以泡沫金属作为骨架，在泡沫金属中填充相变材料用于热量的传输。目前的相变材料中，固-液相变材料价廉易得，相变焓值较高，因此，多以固-液相变材料为主，但固-液相变材料在相变过程中有液相产生，具有一定的流动性，如果密封不好，将会造成泄漏而腐蚀或污染环境。另外，当泡沫金属的尺寸较大时，热传导距离加大，导致其导热性降低。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种以泡沫铜为基体的复合相变材料，以缓解现有技术中的泡沫金属与相变材料复合后热传导效率低以及容易漏液的技术问题。
本发明的第二目的在于提供一种上述复合相变材料的制备方法，该制备方法具有工艺流程简单且适合工业化生产的优点。
本发明的第三目的在于提供一种蓄热包，该蓄热包能够减少漏液，且具有包装形式可灵活掌控的优点。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种以泡沫铜为基体的复合相变材料，包括以层状结构交替设置的泡沫铜金属层和石墨烯层，所述泡沫铜金属层含有相变材料。
进一步的，所述泡沫铜金属层中相变材料的重量百分比为82％-90％。
进一步的，所述复合相变材料的最外层为石墨烯层。
进一步的，所述泡沫铜金属层和石墨烯层分别至少为3层。
进一步的，每层泡沫铜金属层的厚度为0.5-1cm。
进一步的，每层石墨烯层的厚度为0.1-0.3cm。
进一步的，所述相变材料包括有机相变材料和无机相变材料。
进一步的，所述有机相变材料包括石蜡、硬脂酸或月桂酸。
进一步的，所述无机相变材料包括无机水合盐。
一种上述复合相变材料的制备方法，先用真空浸渍法将相变材料填充于泡沫铜金属层中，然后再利用沉积法在泡沫铜金属层表面制备出石墨烯层。
一种蓄热包，用包装物将上述复合相变材料密封后得到。
与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的复合相变材料是以石墨烯层和泡沫铜金属层交替设置，相当于在泡沫铜金属层之间插入了一层导热性更好的石墨烯作为中间导热层，从而减少了泡沫铜金属层的传热距离，提高了复合相变材料的导热性。
另外，当需要冷却的物体表面热量不均时，与其接触的相变材料所接受的热量不同，加上泡沫铜金属层中孔洞的阻隔作用，热量比较容易聚集，而本发明中，通过在泡沫铜金属层之间设置石墨烯层，聚集的热量可以在石墨烯层中传输，进行热量的发散，从而提高复合相变材料整体的导热性。
此外，当泡沫铜金属层中的相变材料吸热液化后，由于石墨烯层的阻隔作用，对液体的渗漏会存在一定的阻隔作用，因此，可以延长复合相变材料的使用寿命，减少环境污染。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本发明的一个方面提供了一种以泡沫铜为基体的复合相变材料，包括以层状结构交替设置的泡沫铜金属层和石墨烯层，所述泡沫铜金属层含有相变材料。
本发明提供的复合相变材料是以石墨烯层和泡沫铜金属层交替设置，相当于在泡沫铜金属层之间插入了一层导热性更好的石墨烯作为中间导热层，从而减少了泡沫铜金属层的传热距离，提高了复合相变材料的导热性。
另外，当需要冷却的物体表面热量不均时，与其接触的相变材料所接受的热量不同，加上泡沫铜金属层中孔洞的阻隔作用，热量比较容易聚集，而本发明中，通过在泡沫铜金属层之间设置石墨烯层，聚集的热量可以在石墨烯层中传输，进行热量的发散，从而提高复合相变材料整体的导热性。
此外，当泡沫铜金属层中的相变材料吸热液化后，由于石墨烯层的阻隔作用，对液体的渗漏会存在一定的阻隔作用，因此，可以延长复合相变材料的使用寿命，减少环境污染。
泡沫铜是一种在铜基体中均匀分布着大量连通或不连通孔洞的新型多功能材料。泡沫铜具有优良的导电性、延展性和导热性能，利用泡沫铜作为骨架，使相变材料填充其中，可以增加导热性。
石墨烯具有非常好的热传导性能。纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300W/mK，是目前为止导热系数最高的碳材料，高于单壁碳纳米管(3500W/mK)和多壁碳纳米管(3000W/mK)。当它作为载体时，它的导热系数也可达600W/mK。用石墨烯作为中间导热层插入到泡沫铜金属层表面后，可显著提高整体复合相变材料的导热性，尤其是当需要制作的泡沫铜金属层较厚时，其导热效果更加明显。同时，由于石墨烯层覆盖了泡沫铜金属层的孔洞，当相变材料由固体变为液体时，可对液体的渗漏有一定的阻隔作用。
作为本发明优选的实施方式，所述泡沫铜金属层中相变材料的重量百分比为82％-90％。通过增加相变材料的重量百分比可以提高相变材料的吸热能力，进一步提高复合相变材料的导热性。其中，泡沫铜金属层中相变材料的重量百分比非限制性的例如可以为：82％、83％、84％、85％、86％、87％、88％、89％或90％。
作为本发明优选的实施方式，所述复合相变材料的最外层为石墨烯层。最外层设置石墨烯层，当复合相变材料与需要导热的物体接触时可以将外部物体上的热量迅速导出，提高了导热效率。另外，最外层为石墨烯层还可以进一步提高防渗漏性能。
作为本发明优选的实施方式，所述泡沫铜金属层和石墨烯层分别至少为3层。至少设置3层是为了保证导热效果。单位体积内设置的石墨烯的层数越多，其导热效果越好。具体各层层数的设定根据实际的使用情况及复合相变材料的具体尺寸设定。
作为本发明优选的实施方式，每层泡沫铜金属层的厚度为0.3-1cm，优选为0.3-0.8cm。泡沫铜金属层的厚度不能太薄，否则会影响其作为骨架的功能，降低整体的刚度；同时，泡沫铜金属层的厚度不能太厚，否则会降低整体的导热性。通过优化泡沫铜金属层的厚度，可以在不降低复合相变材料整体刚度的同时提高其导热性能。其中，每层泡沫铜金属层的厚度非限制性的例如可以为：0.3cm、0.4cm、0.5cm、0.6cm、0.7cm、0.8cm、0.9cm或1cm。
作为本发明优选的实施方式，每层石墨烯层的厚度为0.1-0.3cm，优选为0.15-0.25cm。通过优化石墨烯层的厚度可以进一步提高复合相变材料的导热性能。其中，每层石墨烯层的厚度典型但非限制性的例如可以为：0.1cm、0.15cm、0.2cm、0.25cm或0.3cm。
作为本发明优选的实施方式，所述相变材料包括有机相变材料和无机相变材料。可选地，所述有机相变材料包括石蜡、硬脂酸或月桂酸。可选地，所述无机相变材料包括无机水合盐。
本发明的第二个方面提供了一种上述复合相变材料的制备方法，先用真空浸渍法将相变材料填充于泡沫铜金属层中，然后再利用沉积法在泡沫铜金属层表面制备出石墨烯层。
在本发明的一个实施方式中，上述复合相变材料的制备方法包括：将相变材料加热熔化后置于真空浸渍机中，且相变材料置入真空浸渍机中的体积量为真空浸渍机体积的40％～70％，并使真空浸渍机的温度比相变材料的相变温度高6～8℃，使相变材料保持液态；将泡沫铜金属置于内有液态相变材料的真空浸渍机中进行真空浸渍，待泡沫铜金属吸附饱满相变材料后取出冷却凝固得到含相变材料的泡沫铜金属层；之后将含有的泡沫铜金属层置于化学气相沉积设备中，利用化学气相沉积的方法在泡沫铜金属层表面制备石墨烯层，得到上述复合相变材料。
本发明的第三个方面提供了一种蓄热包，用包装物将上述复合相变材料密封后得到。
下面将结合实施例和对比例对本发明做进一步详细的说明。
实施例1
本实施例是一种以泡沫铜为基体的复合相变材料，包括以层状结构交替设置的泡沫铜金属层和石墨烯层，所述泡沫铜金属层含有石蜡，所述复合相变材料的最外层为石墨烯层，即复合相变材料的两侧均设有石墨烯层。其中，泡沫铜金属层为3层，石墨烯层为4层。每层泡沫铜金属层的厚度为0.3cm。每层石墨烯层的厚度为0.1cm。泡沫铜金属层中相变材料的重量百分比为82％。
该复合相变材料的制备方法包括：将相变材料石蜡加热熔化后置于真空浸渍机中，且相变材料石蜡置入真空浸渍机中的体积量为真空浸渍机体积的35％～70％，并使真空浸渍机的温度比相变材料的相变温度高6～9℃，使相变材料保持液态；将泡沫铜金属置于内有液态相变材料的真空浸渍机中进行真空浸渍，待泡沫铜金属吸附饱满相变材料后取出冷却凝固得到含相变材料石蜡的泡沫铜金属层；之后将含有石蜡的泡沫铜金属层置于化学气相沉积设备中，利用化学气相沉积的方法在泡沫铜金属层表面制备石墨烯层，得到上述复合相变材料。
实施例2
本实施例是一种以泡沫铜为基体的复合相变材料，包括以层状结构交替设置的泡沫铜金属层和石墨烯层，所述泡沫铜金属层含有硬脂酸，所述复合相变材料的最外层为石墨烯层，即复合相变材料的两侧均设有石墨烯层。其中，泡沫铜金属层为4层，石墨烯层为5层。每层泡沫铜金属层的厚度为0.6cm。每层石墨烯层的厚度为0.2cm。泡沫铜金属层中相变材料的重量百分比为84％。
该复合相变材料的制备方法包括：将相变材料硬脂酸加热熔化后置于真空浸渍机中，且相变材料置入真空浸渍机中的体积量为真空浸渍机体积的40％～70％，并使真空浸渍机的温度比相变材料的相变温度高6～8℃，使相变材料保持液态；将泡沫铜金属置于内有液态相变材料的真空浸渍机中进行真空浸渍，待泡沫铜金属吸附饱满相变材料后取出冷却凝固得到含相变材料硬脂酸的泡沫铜金属层；之后将含有硬脂酸的泡沫铜金属层置于化学气相沉积设备中，利用化学气相沉积的方法在泡沫铜金属层表面制备石墨烯层，得到上述复合相变材料。
实施例3
本实施例是一种以泡沫铜为基体的复合相变材料，包括以层状结构交替设置的泡沫铜金属层和石墨烯层，所述泡沫铜金属层含有月桂酸，所述复合相变材料的最外层为石墨烯层，即复合相变材料的两侧均设有石墨烯层。其中，泡沫铜金属层为4层，石墨烯层为5层。每层泡沫铜金属层的厚度为0.8cm。每层石墨烯层的厚度为0.3cm。泡沫铜金属层中相变材料的重量百分比为86％。
该复合相变材料的制备方法包括：将相变材料月桂酸加热熔化后置于真空浸渍机中，且相变材料置入真空浸渍机中的体积量为真空浸渍机体积的40％～70％，并使真空浸渍机的温度比相变材料的相变温度高6～8℃，使相变材料保持液态；将泡沫铜金属置于内有液态相变材料的真空浸渍机中进行真空浸渍，待泡沫铜金属吸附饱满相变材料后取出冷却凝固得到含相变材料月桂酸的泡沫铜金属层；之后将含有月桂酸的泡沫铜金属层置于化学气相沉积设备中，利用化学气相沉积的方法在泡沫铜金属层表面制备石墨烯层，得到上述复合相变材料。
实施例4
本实施例是一种以泡沫铜为基体的复合相变材料，包括以层状结构交替设置的泡沫铜金属层和石墨烯层，所述泡沫铜金属层含有无机水合盐，所述复合相变材料的最外层为石墨烯层，即复合相变材料的两侧均设有石墨烯层。其中，泡沫铜金属层为4层，石墨烯层为5层。每层泡沫铜金属层的厚度为0.8cm。每层石墨烯层的厚度为0.3cm。泡沫铜金属层中相变材料的重量百分比为90％。
该复合相变材料的制备方法包括：将相变材料无机水合盐加热熔化后置于真空浸渍机中，且相变材料置入真空浸渍机中的体积量为真空浸渍机体积的40％～70％，并使真空浸渍机的温度比相变材料的相变温度高6～8℃，使相变材料保持液态；将泡沫铜金属置于内有液态相变材料的真空浸渍机中进行真空浸渍，待泡沫铜金属吸附饱满相变材料后取出冷却凝固得到含相变材料无机水合盐的泡沫铜金属层；之后将含有无机水合盐的泡沫铜金属层置于化学气相沉积设备中，利用化学气相沉积的方法在泡沫铜金属层表面制备石墨烯层，得到上述复合相变材料。
对比例1
本对比例是一种以泡沫铜为基体的复合相变材料，包括作为骨架结构的泡沫金属铜和浸渍于泡沫金属铜内的石蜡。该复合相变材料的厚度为1.3cm。泡沫铜金属层中相变材料的重量百分比为82％。
对比例2
本对比例是一种以泡沫铜为基体的复合相变材料，包括作为骨架结构的泡沫金属铜和浸渍于泡沫金属铜内的硬脂酸。该复合相变材料的厚度为3.4cm。泡沫铜金属层中相变材料的重量百分比为84％。
对比例3
本对比例是一种以泡沫铜为基体的复合相变材料，包括作为骨架结构的泡沫金属铜和浸渍于泡沫金属铜内的月桂酸。该复合相变材料的厚度为4.7cm。泡沫铜金属层中相变材料的重量百分比为86％。
对比例4
本对比例是一种以泡沫铜为基体的复合相变材料，包括作为骨架结构的泡沫金属铜和浸渍于泡沫金属铜内的无机水合盐。该复合相变材料的厚度为4.7cm。泡沫铜金属层中相变材料的重量百分比为90％。
性能测试
利用实施例1-4和对比例1-4提供的复合相变材料进行导热测试试验。首先利用包装膜-铝塑膜将实施例1-4和对比例1-4提供的复合相变材料真空密封包装，然后将复合相变材料的一侧贴于温度为100℃的发热装置表面，并用温度表监控复合相变材料另一侧的温度。当复合相变材料另一侧的温度达到100℃时，记录从放置复合相变材料于发热装置表面到温度达到100℃时所经历的时间。同时，重复该实验直至包装膜表面有液体渗出，并记录此时每种复合相变材料所经历的周期数。试验结果列于表1。
表1各实施例和对比例检测结果
测试项目 升温时间/s 渗漏时的循环次数/次
实施例1 1500 800
实施例2 2550 1370
实施例3 3900 1540
实施例4 4000 1620
对比例1 2200 530
对比例2 3460 860
对比例3 4800 980
对比例4 5500 1090
从表1中的数据可以看出，泡沫铜金属层内浸渍不同的相变材料，其升温时间不同。从实施例和对比例的实验数据可知，如果减少石墨烯层，则升温时间增加，渗漏时的循环次数降低。由此可知，添加石墨烯层能显著提高导热效率和减少渗漏。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (9)

1.一种以泡沫铜为基体的复合相变材料，其特征在于，包括以层状结构交替设置的泡沫铜金属层和石墨烯层，所述泡沫铜金属层含有相变材料；
所述复合相变材料的最外层为石墨烯层，所述泡沫铜金属层和石墨烯层分别至少为3层；每层泡沫铜金属层的厚度为0.3-1cm，每层石墨烯层的厚度为0.1-0.3cm。
2.根据权利要求1所述的以泡沫铜为基体的复合相变材料，其特征在于，所述泡沫铜金属层中相变材料的重量百分比为82％-90％。
3.根据权利要求1所述的以泡沫铜为基体的复合相变材料，其特征在于，每层泡沫铜金属层的厚度为0.3-0.8cm。
4.根据权利要求1所述的以泡沫铜为基体的复合相变材料，其特征在于，每层石墨烯层的厚度为0.15-0.25cm。
5.根据权利要求1所述的以泡沫铜为基体的复合相变材料，其特征在于，所述相变材料包括有机相变材料和无机相变材料。
6.根据权利要求5所述的以泡沫铜为基体的复合相变材料，其特征在于，所述有机相变材料包括石蜡、硬脂酸或月桂酸。
7.根据权利要求6所述的以泡沫铜为基体的复合相变材料，所述无机相变材料包括无机水合盐。
8.一种权利要求1-7任一项所述的复合相变材料的制备方法，其特征在于，先用真空浸渍法将相变材料填充于泡沫铜金属层中，然后再利用沉积法在泡沫铜金属层表面制备出石墨烯层。
9.一种蓄热包，其特征在于，用包装物将权利要求1-7任一项所述的复合相变材料密封后得到。
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