CN111793474B - 一种膨胀石墨增强导热的陶瓷基定型高温相变储热元件的组装方法和由此形成的储热元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种膨胀石墨增强导热的陶瓷基定型高温相变储热元件的组装方法，其包括以下步骤：提供共晶盐相变材料；提供膨胀石墨导热剂；提供陶瓷粉末骨架材料和助烧剂；将共晶盐相变材料、膨胀石墨导热剂、陶瓷粉末骨架材料和助烧剂混合后放入模具中，以12‑14MPa压制成形得到坯体；将坯体进行热处理得到储热元件。本发明还涉及一种上述的组装方法形成的储热元件，其包括共晶盐相变材料、膨胀石墨导热剂和陶瓷粉末骨架材料。本发明提供的高温相变储热元件所采用的导热剂膨胀石墨材料比金属更耐高温、耐腐蚀，能够更好地兼容并具有良好的热循环性能，提供一种有效的高导热耐腐蚀高温相变材料的元器件。

Description

一种膨胀石墨增强导热的陶瓷基定型高温相变储热元件的组 装方法和由此形成的储热元件
技术领域
本发明涉及相变储热材料，更具体地涉及一种膨胀石墨增强导热的陶瓷基定型高温相变储热元件的组装方法和由此形成的储热元件。
背景技术
相变储热材料通过相变吸收或释放大量热量，来实现能量的存储和利用，可以有效解决热能供求不匹配的矛盾。因此，相变储热技术被广泛应用于上述具有间断性或不稳定性的热管理领域。中低温(室温-200℃)相变储热技术发展相对成熟，而适用于核能和太阳能热存储的高温无机盐类(氯盐、碳酸盐和硝酸盐等，相变点200-1000℃)相变储热技术相对滞后。这是由于无机盐类相变储热材料虽然具有较高的储热密度，但一般导热系数较低，影响系统换热效率。此外，高温无机盐类相变储热材料在热存储和释放过程中，经历固-液或固-固相变过程，易发生膨胀泄漏和腐蚀容器管路的问题。因此，一直以来，高温无机盐类相变储热材料的强化传热、组装和器件化是限制其广泛应用的重要问题。
目前，金属材料是已知的中低温相变材料的封装载体，其具有热导率高和易加工的优点，具体地，中低温相变材料与不锈钢等利用传统的填充床储热系统来形成元器件。但是，对于高温相变材料，金属等导热剂和骨架材料无法满足温度、热膨胀和兼容性的要求，存在密度大、易腐蚀和高温热稳定性差等缺点。
发明内容
为了解决现有技术中的高温无机盐类相变储热材料热导率低和易腐蚀等问题，本发明提供一种膨胀石墨增强导热的陶瓷基定型高温相变储热元件的组装方法和由此形成的储热元件。
根据本发明的膨胀石墨增强导热的陶瓷基定型高温相变储热元件的组装方法，其包括以下步骤：S1，提供共晶盐相变材料；S2，提供膨胀石墨导热剂；S3，提供陶瓷粉末骨架材料和助烧剂；S4，将共晶盐相变材料、膨胀石墨导热剂、陶瓷粉末骨架材料和助烧剂混合后放入模具中，以12-14MPa压制成形得到坯体；S5，将坯体进行热处理得到储热元件。
优选地，该共晶盐相变材料为熔点200-1000℃的中高温相变储热材料。在优选的实施例中，该共晶盐相变材料的相变温度为465.5℃。在优选的实施例中，该共晶盐相变材料为氯盐相变储热材料。应该理解，该共晶盐相变材料也可以是其他盐类相变材料。
优选地，步骤S1包括通过高温混合共熔制备得到共晶盐相变材料。应该理解，该共晶盐相变材料也可以通过其他方法得到，如储热微胶囊或未经胶囊包覆的纯相变材料及其混合物。
优选地，步骤S2包括将天然鳞片石墨膨化得到膨胀石墨导热剂。应该理解，该膨胀石墨可以通过本领域的常规方法来制备。步骤S2还包括将得到的膨胀石墨导热剂筛分成粒径适宜形成复合材料导热网络的尺寸。特别地，步骤S2还包括将得到的膨胀石墨导热剂经高温石墨化处理，去除杂质。
优选地，步骤S3包括将陶瓷粉末骨架材料和助烧剂按既定比例均匀混合。应该理解，通过该预混可以提高陶瓷骨架的孔隙率和骨架连通性，以到达较好的储热效率。优选地，陶瓷粉末骨架材料和助烧剂的混合质量比为6％。
优选地，该陶瓷粉末为氧化铝粉末，该助烧剂为甲基纤维素。应该理解，该陶瓷粉末还可以是其他陶瓷粉末，该助烧剂可以为氧化钇等。
优选地，步骤S4中的压制成形为模压成形或准等静压成形。应该理解，通过模压成形或准等静压成形具有成品率高、质量稳定、且适合工业化生产的优势。其中，模压成形和准等静压成形技术是材料成形工艺的已知技术，在此不再赘述准等静压硅胶模具等的具体设置。
优选地，在步骤S4中，陶瓷粉末骨架材料的添加质量百分数大于共晶盐相变材料的添加质量百分数，膨胀石墨导热剂在混合物中的添加质量百分数为5％-20％。在优选的实施例中，陶瓷粉末骨架材料和共晶盐相变材料的质量比为3:2，膨胀石墨导热剂在混合物中的添加质量百分数为15％。
优选地，步骤S5中的热处理温度比共晶盐相变材料的熔点高50-100℃。应该理解，温度过高容易造成储热盐蒸发。
根据本发明的上述的组装方法形成的储热元件，其包括共晶盐相变材料、膨胀石墨导热剂和陶瓷粉末骨架材料。
根据本发明的膨胀石墨增强导热的陶瓷基定型高温相变储热元件的组装方法和由此形成的储热元件，其采用膨胀石墨(熔点3000℃，热导率50-1000W/mK)作为导热剂，比金属(熔点2000℃左右，热导率100-200W/mK)更耐高温和耐腐蚀，从而使得储热元件的封装材料和高温相变材料能够更好地兼容并具有良好的热循环性能，而且，膨胀石墨具有较高的热导率，从而使得本发明提供的高温相变储热元件具有高的换热效率。另外，本发明提供的高温相变储热元件的核心由多孔陶瓷骨架形成，装载的相变材料更多，从而使得本发明提供的高温相变储热元件具有高的储热密度，从而最终提供一种有效的封装高温相变材料的元器件。特别地，通过控制压制压力和材料配比，本发明提供的高温相变储热元件的相变材料装载量和密度可以进行调控。
附图说明
图1是根据本发明的一个优选实施例的膨胀石墨增强导热的陶瓷基定型高温相变储热元件的微观结构图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
实施例1
NaCl、KCl、MgCl2以共晶比5:3:2进行球磨混合，烘干，在2个大气压和氩气保护的反应釜中加热到560℃，平衡4个小时直到盐完全融化，形成均匀的共晶盐。
将天然鳞片石墨膨化，再经高温石墨化处理以去除杂质得到膨胀石墨。
将氧化铝粉末和6％的甲基纤维素均匀混合形成骨架材料。
骨架材料和共晶盐按照质量比为3:2的比例均匀混合形成复合相变材料，在复合相变材料中加入10wt％的膨胀石墨作为导热剂。
采用单轴静压工艺在压力为12-14MPa的条件下压制成型，得到柱状的坯体。
520℃烧结得到储热元件，其微观结构如图1所示，包括：陶瓷骨架、储热盐和导热剂膨胀石墨。
实施例2
NaCl、KCl、MgCl2以共晶比5:3:2进行球磨混合，烘干，在2个大气压和氩气保护的反应釜中加热到560℃，平衡4个小时直到盐完全融化，形成均匀的共晶盐。
将天然鳞片石墨膨化，再经高温石墨化处理以去除杂质得到膨胀石墨。
将氧化铝粉末和6％的甲基纤维素均匀混合形成骨架材料。
骨架材料和共晶盐按照质量比为3:2的比例均匀混合形成复合相变材料，在复合相变材料中加入15wt％的膨胀石墨作为导热剂。
采用单轴静压工艺在压力为12-14MPa的条件下压制成型，得到柱状的坯体。
520℃烧结得到储热元件。
对比例1
NaCl、KCl、MgCl2以共晶比5:3:2进行球磨混合，烘干，在2个大气压和氩气保护的反应釜中加热到560℃，平衡4个小时直到盐完全融化，形成均匀的共晶盐。
将天然鳞片石墨膨化，再经高温石墨化处理以去除杂质得到膨胀石墨。
将氧化铝粉末和6％的甲基纤维素均匀混合形成骨架材料。
骨架材料和共晶盐按照质量比为1:1的比例均匀混合形成复合相变材料，在复合相变材料中加入10wt％的膨胀石墨作为导热剂。
采用单轴静压工艺在压力为12-14MPa的条件下压制成型，得到柱状的坯体。
520℃烧结，成形较差，甚至不能成形。
对比例2
NaCl、KCl、MgCl2以共晶比5:3:2进行球磨混合，烘干，在2个大气压和氩气保护的反应釜中加热到560℃，平衡4个小时直到盐完全融化，形成均匀的共晶盐。
将天然鳞片石墨膨化，再经高温石墨化处理以去除杂质得到膨胀石墨。
将氧化铝粉末和6％的甲基纤维素均匀混合形成骨架材料。
骨架材料和共晶盐按照质量比为1:1的比例均匀混合形成复合相变材料，在复合相变材料中加入15wt％的膨胀石墨作为导热剂。
采用单轴静压工艺在压力为12-14MPa的条件下压制成型，得到柱状的坯体。
520℃烧结，成形较差，甚至不能成形。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (6)

1.一种膨胀石墨增强导热的陶瓷基定型高温相变储热元件的组装方法，其特征在于，该组装方法包括以下步骤：
S1，提供共晶盐相变材料，该共晶盐相变材料为NaCl、KCl、MgCl2的混合物；
S2，提供膨胀石墨导热剂；
S3，提供陶瓷粉末骨架材料和助烧剂，该陶瓷粉末为氧化铝粉末，该助烧剂为甲基纤维素，将氧化铝粉末和甲基纤维素按质量比6%预先均匀混合形成骨架材料；
S4，将骨架材料和共晶盐相变材料均匀混合形成复合相变材料，骨架材料的添加质量百分数大于共晶盐相变材料的添加质量百分数，在复合相变材料中加入膨胀石墨导热剂混合后放入模具中，以12-14MPa压制成形得到坯体，其中，骨架材料和共晶盐相变材料的质量比为3:2，膨胀石墨导热剂在混合物中的添加质量百分数为5%-20%；
S5，将坯体进行热处理得到储热元件，该热处理温度比共晶盐相变材料的熔点高50-100℃。
2.根据权利要求1所述的组装方法，其特征在于，该共晶盐相变材料为熔点200-1000℃的中高温相变储热材料。
3.根据权利要求1所述的组装方法，其特征在于，步骤S1包括通过高温混合共熔制备得到共晶盐相变材料。
4.根据权利要求1所述的组装方法，其特征在于，步骤S2包括将天然鳞片石墨膨化得到膨胀石墨导热剂。
5.根据权利要求1所述的组装方法，其特征在于，步骤S4中的压制成形为模压成形或准等静压成形。
6.一种根据权利要求1-5中任一项所述的组装方法形成的储热元件，其特征在于，该储热元件包括共晶盐相变材料、膨胀石墨导热剂和陶瓷粉末骨架材料。
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