CN111440597A - 一种用于相变蓄冷的电沉积泡沫金属及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于相变蓄冷的电沉积泡沫金属及其制备方法，涉及传热传质技术领域。该用于相变蓄冷的电沉积泡沫金属包括：电沉积泡沫金属和相变蓄冷材料。泡沫金属的表面电化学沉积有微纳结构；相变蓄冷材料附着于沉积有微纳结构的泡沫金属的表面。该泡沫金属具有微纳结构，微纳结构可增大泡沫金属的传热接触面积，提高泡沫金属的热传导，强化相变蓄冷材料的传热过程。同时，由于微纳结构还可以在材料凝固时提供大量的晶体成核位点，因此还可以使得固相晶体更容易吸附在结构的表面，从而解决现有蓄冷材料的过冷问题。并且，微纳结构可以更好地将相变蓄冷材料束缚在特定空间，提高反复凝固、融化过程中蓄冷材料在泡沫金属表面的附着的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及传热传质技术领域，具体而言，涉及一种用于相变蓄冷的电沉积泡沫金属及其制备方法。
背景技术
泡沫金属在传热传质领域有着广泛的应用。其中，将泡沫金属填充到蓄冷材料中，可以起到增强蓄冷材料导热系数的作用。但由于泡沫金属的骨架表面一般较为光滑，其与蓄冷材料间的接触热阻较大。而蓄冷材料在多次融化、凝固后，容易团聚在泡沫金属的孔道中心，与泡沫金属骨架的接触情况变差。此外，泡沫金属虽然能起到一定的强化传热作用，但其对蓄冷材料相变过程中的过冷现象改善不大。寻找一种有效解决现有蓄冷技术中接触热阻大，稳定性差，过冷差大等缺点的材料及制备技术，显得非常有必要。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于相变蓄冷的电沉积泡沫金属，其通过微纳结构的设置可有效地解决现有技术中蓄冷材料接触热阻大、稳定性差、过冷差大的问题。
本发明的另一目的在于提供一种用于相变蓄冷的电沉积泡沫金属的制备方法，其可快速高效地制备得到上述的蓄冷材料。
本发明是这样实现的：
第一方面，本发明实施例提供一种用于相变蓄冷的电沉积泡沫金属，包括：
泡沫金属，泡沫金属的表面电化学沉积有微纳结构；
相变蓄冷材料，附着于沉积有微纳结构的泡沫金属的表面。
在可选的实施方式中，微纳结构呈多级拓扑形态；且当微纳结构呈二级拓扑形状时，其一级拓扑结构为蜂窝状、枝晶状以及珊瑚状中的一种或多种，其二级拓扑结构为组成一级拓扑结构的微、纳米颗粒物。
在可选的实施方式中，相变蓄冷材料为可发生液固相变的材料；
泡沫金属为可用于电沉积修饰，且不与电解液发生反应的泡沫金属材料。
在可选的实施方式中，相变蓄冷材料选自水、有机工质以及无机物中的一种或多种；
泡沫金属选自泡沫铜、泡沫镍以及泡沫锌中的一种或多种；
电解液为硫酸-硫酸铜体系或氯化镍-氯化铵体系。
在可选的实施方式中，泡沫金属的孔隙率为10％～99.99％，其孔密度为10ppm～500ppm。
第二方面，本发明实施例提供一种前述实施方式中任一项的用于相变蓄冷的电沉积泡沫金属的制备方法，包括：
将微纳结构电化学沉积于泡沫金属的表面；
将相变蓄冷材料附着于沉积有微纳结构的泡沫金属的表面。
在可选的实施方式中，将微纳结构电化学沉积于泡沫金属的表面的步骤具体包括：
将泡沫金属置于电解液中，并通电流进行电沉积，使得电解液中的金属单质或金属复合物在电沉积泡沫金属上生长并形成微纳结构。
在可选的实施方式中，电沉积的步骤的电压范围为0.1V～300V，电流密度范围为1mA/cm2～10A/cm2，电沉积时间范围为1s～2h。
在可选的实施方式中，将相变蓄冷材料附着于沉积有微纳结构的电沉积泡沫金属的表面的步骤具体包括：
将沉积有微纳结构的泡沫金属置于相变蓄冷材料中；
进行超声作业和/或进行抽真空作业。
在可选的实施方式中，在将蓄冷材料附着于沉积有微纳结构的泡沫金属的表面之前还包括：
将电沉积后带有微纳结构的电沉积泡沫金属进行烧结，且烧结时间范围为1min～30h。
本发明的实施例至少具有以下优点或有益效果：
本发明的实施例提供了一种用于相变蓄冷的电沉积泡沫金属，包括：泡沫金属和相变蓄冷材料；其中，泡沫金属的表面电化学沉积有微纳结构；相变蓄冷材料附着于沉积有微纳结构的泡沫金属的表面。该泡沫金属具有微纳结构，微纳结构可增大泡沫金属的传热接触面积，提高泡沫金属的热传导，强化相变蓄冷材料的传热过程。同时，由于微纳结构还可以在材料凝固时提供大量的晶体成核位点，因此还可以使得固相晶体更容易吸附在结构的表面，从而解决大部分高潜热蓄冷材料在大功率储能过程中出现的过冷问题。并且，微纳结构可以更好地将相变蓄冷材料束缚在特定空间，提高反复凝固、融化过程中蓄冷材料在电沉积泡沫金属表面的附着的稳定性。
本发明的实施例还提供了一种用于相变蓄冷的电沉积泡沫金属的制备方法，其可快速高效地制备得到上述的蓄冷材料。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的实施例提供的第一种微纳结构修饰的电沉积泡沫金属的金相显微镜图；
图2为本发明的实施例提供的第二种微纳结构修饰的电沉积泡沫金属的金相显微镜图；
图3为本发明的实施例提供的第三种微纳结构修饰的电沉积泡沫金属的金相显微镜图；
图4为本发明的实施例提供的电沉积泡沫金属的制备装置图；
图5为本发明的实施例提供的用于相变蓄冷的电沉积泡沫金属的制备装置图。
图标：101-电解容器；102-电解液；201-泡沫金属；202-阳极；203-导线；204-电源；301-附着容器；302-温控装置；303-真空管道；304-超声装置；401-电沉积泡沫金属；402-相变蓄冷材料。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，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。
同时，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
图1为本实施例提供的第一种微纳结构修饰的电沉积泡沫金属401的金相显微镜图；图2为本实施例提供的第二种微纳结构修饰的电沉积泡沫金属401的金相显微镜图；图3为本实施例提供的第三种微纳结构修饰的电沉积泡沫金属401的金相显微镜图。请参阅图1至图5，本实施例提供了一种用于相变蓄冷的电沉积泡沫金属401，其主要用于传热传质领域，用于解决现有蓄冷技术中接触热阻大，稳定性差，过冷差大等缺点。
详细地，请参阅图1至图3，该相变蓄冷的电沉积泡沫金属401包括泡沫金属201和相变蓄冷材料402。其中，泡沫金属201的表面电化学沉积有微纳结构；相变蓄冷材料402附着于沉积有微纳结构的泡沫金属201的表面。在该相变蓄冷的电沉积泡沫金属401中，微纳结构可增大泡沫金属201的传热接触面积，提高泡沫金属201的热传导，强化相变蓄冷材料402的传热过程。同时，由于微纳结构还可以在材料凝固时提供大量的晶体成核位点，因此还可以使得固相晶体更容易吸附在结构的表面，从而解决大部分高潜热蓄冷材料在大功率储能过程中出现的过冷问题。并且，微纳结构可以更好地将相变蓄冷材料402束缚在特定空间，提高反复凝固、融化过程中蓄冷材料在电沉积泡沫金属401表面的附着的稳定性。
图1为本实施例提供的第一种微纳结构修饰的电沉积泡沫金属401的金相显微镜图；图2为本实施例提供的第二种微纳结构修饰的电沉积泡沫金属401的金相显微镜图；图3为本实施例提供的第三种微纳结构修饰的电沉积泡沫金属401的金相显微镜图；图4为本实施例提供的电沉积泡沫金属401的制备装置图；图5为本实施例提供的用于相变蓄冷的电沉积泡沫金属401的制备装置图。请参阅图1至图5，在本实施例中，微纳结构呈多级拓扑形态，通过多级拓扑结构的设置，可有效地增大泡沫金属201的传热接触面积，提高泡沫金属201的热传导，强化相变蓄冷材料402的传热过程。
详细地，请再次参阅图1至图3，在本实施例中，当微纳结构呈二级拓扑形状时，其一级拓扑结构为蜂窝状、枝晶状以及珊瑚状中的一种或多种，其二级拓扑结构为组成一级拓扑结构的微、纳米颗粒物。
例如请参阅图1，在本实施例中，泡沫金属201的框架上生长了具有二级拓扑形态的微纳结构，其一级拓扑结构为枝晶状，其二级拓扑结构为组成一级拓扑结构的微、纳米颗粒物。再例如参阅图2，泡沫金属201的框架上生长了具有多级拓扑形态的微纳结构，其一级拓扑结构为蜂窝状，其二级拓扑结构为组成一级拓扑结构的微、纳米颗粒物。再例如参阅图3，泡沫金属201的框架上生长了具有多级拓扑形态的微纳结构，其一级拓扑结构为珊瑚状，其二级拓扑结构为组成一级拓扑结构的微、纳米颗粒物。其无论是枝晶状、蜂窝状还是珊瑚状结构均可有效地增大泡沫金属201传热接触面积，从而提高泡沫金属201的热传导。当然，在本发明的其他实施例中，微纳结构的具体形态还可以根据需求进行选择和调整，本发明的实施例不做限定。
为了制备得到上述的用于相变蓄冷的电沉积泡沫金属401，本实施例还提供了一种用于相变蓄冷的电沉积泡沫金属401的制备方法，包括：
步骤S1：将微纳结构电化学沉积于泡沫金属201的表面；
步骤S2：将相变蓄冷材料402附着于沉积有微纳结构的泡沫金属201的表面。
请再次参阅图4，为了通过步骤S1制备得到沉积有微纳结构的电沉积泡沫金属401，可采用图4所示的装置进行电化学沉积作业。
详细地，请参阅图4，制备电沉积泡沫金属401的制备装置包括电解容器101、导线203以及电源204。其中，电解容器101内盛装有电解液102，泡沫金属201作为阴极完全浸泡于电解液102中，沿水平方向延伸设置，且靠近电解容器101的底部设置；对应地，阳极202也完全地浸泡于电解液102中，沿水平方向延伸设置，且与泡沫金属201相对，靠近电解容器101的顶部设置。电源204设置于电解容器101外，阴极和阳极202分别通过导线203与电源204连通。在进行电沉积作业时，可将电源204通电，使得电解液102中的金属单质或金属复合物在电沉积泡沫金属401上生长并形成多级拓扑形态的微纳结构。当然，在其他实施例中，阴极和阳极202的放置位置还可以根据需求进行选择，例如可选择为竖直放置等，本实施例不做限定。
需要说明的是，为了保证电沉积作业的正常进行，在本实施例中泡沫金属201为可用于电沉积修饰，且不与电解液102发生反应的泡沫金属201材料。例如，可具体选择为泡沫铜、泡沫镍以及泡沫锌中的一种或多种。并且，泡沫金属201的孔隙率为10％～99.99％，其孔密度为10ppm～500ppm。对应地，用来电沉积的电解液102包括所可用于电化学沉积的体系，例如硫酸-硫酸铜体系、氯化镍-氯化铵体系等。且电沉积具体的电压范围为0.1V～300V，电流密度范围为1mA/cm2～10A/cm2，电沉积时间范围为1s～2h，具体参数的选择可以根据沉积后的泡沫金属201的形态进行确定。
还需要说明的是，请参阅图4，本实施例中具体采用的电解液102的组成为硫酸浓度为0.2mol/L、硫酸铜浓度为1.5mol/L、硫酸钠浓度为1.0mol/L。泡沫金属201为130PPI的泡沫金属201铜。在一定的线性递增直流电流下进行电沉积300s即可得到电沉积泡沫金属401。
作为优选的方案，为了进一步地保证电沉积后的电沉积泡沫金属401的质量，还可以将制备好的微纳结构修饰泡沫金属201，在5％氢气氮气混合气氛、310℃的条件下烧结1min～30h，优选烧结1.5h，得到如图1所示的任一种电沉积微纳结构修饰的泡沫金属201铜。当然，在其他实施例中，烧结的参数还可以根据电解液102及泡沫金属201的种类进行调整，本实施例不做限定。
请再次参阅图5，为了通过步骤S2制备得到用于相变蓄冷的电沉积泡沫金属401，可采用图5所示的附着装置进行附着作业。
详细地，请参阅图5，附着装置包括附着容器301，附着容器301用于盛装相变蓄冷材料402，通过上述步骤S1制备得到的电沉积泡沫金属401完全浸没于相变蓄冷材料402内，以使得相变蓄冷材料402容易附着于电沉积泡沫金属401的表面。
作为优选的方案，为了保证附着效果，可将整个附着容器301置于温控装置302内，温控装置302的形式可以为任何形式的温控装置302，可以给附着容器301进行加热或者冷却即可，通过温控装置302的设置可以控制附着容器301内的蓄冷材料温度，使之保持在合适的温度，保证蓄冷材料为液态，以保证附着效果。
同时，还可在温控装置302内设置超声装置304，超声装置304位于附着容器301的下方，且与附着容器301的底部接触，以对进行附着作业的电沉积泡沫金属401进行超声作业，以进一步地使蓄冷材料更好地分布到电沉积泡沫金属401的孔道中，保证附着效果。
进一步优选地，为了进一步改善蓄冷材料与电沉积泡沫金属401之间的结合，还可以根据需求设置真空管道303，对其进行真空作业，例如可将附着容器301连接到真空管道303，真空管道303可以将容器内以及蓄冷材料所产生的不凝性气体带出体系，以保证附着效果以及附着后的成品质量。
需要说明的是，为了保证附着作业的正常进行，在本实施例中，相变蓄冷材料402为可发生液固相变的材料。例如，相变蓄冷材料402具体可选自水、有机工质以及无机物中的一种或多种，以便于形成一种通过相变材料的凝固和融化进行能量的储存和释放的复合材料。当然，在其他实施例中，相变蓄冷材料402的种类还可以根据需求进行选择，本实施例不做限定。
下面对本实施例提供的用于相变蓄冷的电沉积泡沫金属401的制备流程以及原理进行详细地说明：
该方法具体可通过以下流程进行制备：
a：将泡沫金属201和阳极202材料分别相对地放置于电解容器101中，并完全浸没于电解液102中，且将泡沫金属201和阳极202均通过导线203与电源204连通；
b：接通电源204，在一定的电流条件下进行电沉积，使得金属单质或金属复合物在泡沫金属201上生长，并形成具有多级拓扑形态的微纳结构；
c：将电沉积后的电沉积泡沫金属401进行烧结，烧结时间范围为1min～30h；
d：将相变蓄冷材料402放置于附着容器301中，同时将烧结后的电沉积泡沫金属401放置于附着容器301中，并完全地浸没于相变蓄冷材料402中；
e：将附着容器301置于温控装置302内，且在附着容器301的下方放置超声装置304，并将附着容器301的上部与真空管道303连通，接通温控装置302、超声装置304以及真空管道303，以进行附着作业。
在上述制备过程中，通过步骤a、b、c可制备得到沉积有微纳结构的电沉积泡沫金属401，通过d、e步骤可制备得到用于相变蓄冷的电沉积泡沫金属401。并且，在此过程中，由于该泡沫金属201上沉积有多级拓扑状的微纳结构，可增大泡沫金属201的传热接触面积，提高泡沫金属201的热传导，强化相变蓄冷材料402的传热过程。同时，由于微纳结构还可以在材料凝固时提供大量的晶体成核位点，因此还可以使得固相晶体更容易吸附在结构的表面，从而解决大部分高潜热蓄冷材料在大功率储能过程中出现的过冷问题。并且，微纳结构可以更好地将相变蓄冷材料402束缚在特定空间，提高反复凝固、融化过程中蓄冷材料在电沉积泡沫金属401表面的附着的稳定性。
综上所述，本发明的实施例提供的一种用于相变蓄冷的电沉积泡沫金属401及其制备方法，其通过微纳结构的设置可有效地解决现有技术中蓄冷材料接触热阻大、稳定性差、过冷差大的问题。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于相变蓄冷的电沉积泡沫金属，其特征在于，包括：
泡沫金属，所述泡沫金属的表面电化学沉积有微纳结构；
相变蓄冷材料，附着于沉积有所述微纳结构的电沉积泡沫金属的表面。
2.根据权利要求1所述的用于相变蓄冷的电沉积泡沫金属，其特征在于：
所述微纳结构呈多级拓扑形态；且当所述微纳结构呈二级拓扑形状时，其一级拓扑结构为蜂窝状、枝晶状以及珊瑚状中的一种或多种，其二级拓扑结构为组成一级拓扑结构的微、纳米颗粒物。
3.根据权利要求1所述的用于相变蓄冷的电沉积泡沫金属，其特征在于：
所述相变蓄冷材料为可发生液固相变的材料；
所述泡沫金属为可用于电沉积修饰，且不与电解液发生反应的泡沫金属材料。
4.根据权利要求3所述的用于相变蓄冷的电沉积泡沫金属，其特征在于：
所述相变蓄冷材料选自水、有机工质以及无机物中的一种或多种；
所述泡沫金属选自泡沫铜、泡沫镍以及泡沫锌中的一种或多种；
所述电解液为硫酸-硫酸铜体系或氯化镍-氯化铵体系。
5.根据权利要求1所述的用于相变蓄冷的电沉积泡沫金属，其特征在于：
所述泡沫金属的孔隙率为10％～99.99％，其孔密度为10ppm～500ppm。
6.一种权利要求1至5中任一项所述的用于相变蓄冷的电沉积泡沫金属的制备方法，其特征在于，包括：
将所述微纳结构电化学沉积于所述泡沫金属的表面；
将所述相变蓄冷材料附着于沉积有所述微纳结构的泡沫金属的表面。
7.根据权利要求6所述的用于相变蓄冷的电沉积泡沫金属的制备方法，其特征在于，将所述微纳结构电化学沉积于所述泡沫金属的表面的步骤具体包括：
将所述泡沫金属置于电解液中，并通电流进行电沉积，使得所述电解液中的金属单质或金属复合物在所述泡沫金属上生长并形成所述微纳结构。
8.根据权利要求7所述的用于相变蓄冷的电沉积泡沫金属的制备方法，其特征在于：
所述电沉积的步骤的电压范围为0.1V～300V，电流密度范围为1mA/cm2～10A/cm2，电沉积时间范围为1s～2h。
9.根据权利要求6所述的用于相变蓄冷的电沉积泡沫金属的制备方法，其特征在于，将所述相变蓄冷材料附着于沉积有所述微纳结构的泡沫金属的表面的步骤具体包括：
将沉积有所述微纳结构的所述泡沫金属置于所述相变蓄冷材料中；
进行超声作业和/或进行抽真空作业，以使所述相变蓄冷材料附着于沉积有所述微纳结构的泡沫金属的表面。
10.根据权利要求6所述的用于相变蓄冷的电沉积泡沫金属的制备方法，其特征在于，在将所述蓄冷材料附着于沉积有所述微纳结构的泡沫金属的表面之前还包括：
将电沉积后带有所述微纳结构的泡沫金属进行烧结，且烧结时间范围为1min～30h。
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