CN111995988A

CN111995988A - 一种复合核壳结构相变蓄热材料及其制备方法

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Publication number: CN111995988A
Application number: CN202011002982.XA
Authority: CN
Inventors: 黄奥; 张美杰; 顾华志; 韩藏娟
Original assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Current assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE; Wuhan University of Science and Technology WHUST
Priority date: 2020-09-22
Filing date: 2020-09-22
Publication date: 2020-11-27

Abstract

本发明一方面公开了一种复合核壳结构相变蓄热材料的制备方法，包括如下步骤：将铝硅合金粉体、纳米氧化钙粉体、纳米氧化硅粉体与溶剂混合，制成混合浆体；将所述混合浆体过滤、烘干，然后在90％以上湿度空气气氛和650～900℃条件下焙烧3～6h，冷却至室温，得到复合核壳结构相变蓄热材料。本发明还公开了通过上述制备方法得到的复合核壳结构相变蓄热材料，该相变蓄热材料解决了铝硅合金作为相变蓄热材料在应用过程中熔化后易泄露的问题；能有效地为熔融状态的铝硅合金提供保护，避免铝硅合金的流失和由此造成的腐蚀，增加铝硅合金的循环使用次数。而且，本发明制备工艺简单，易控制，容易实现工业化生产。

Description

一种复合核壳结构相变蓄热材料及其制备方法

技术领域

本发明属于相变蓄热复合材料技术领域。具体涉及提供一种复合核壳结构相变蓄热材料及其制备方法。

背景技术

蓄热技术是利用蓄热材料将暂时不需要的热量储存，等需要热量时，再将热量释放出来的一种储能技术。蓄热技术解决了热量供给与需求的时间差矛盾，提高了热量的利用，因此可用于电力负荷的削峰填谷、太阳能的储备和工业余热的回收等，以达到发展新能源和节约旧能源的目的。

蓄热技术的核心问题是蓄热材料的制备和应用，其中相变蓄热材料因其储能高和相变温度可调而成为具有很好潜力的蓄热材料。但相变蓄热材料因在相变时易产生相变介质泄露、体积变化等问题，从而限制了相变蓄热材料的实际应用。将相变材料制备成相变蓄热微胶囊是解决上述问题的主要方法之一。相变蓄热微胶囊由相变材料为核、包覆材料为壳构成。由于相变蓄热微胶囊具有无腐蚀性、防介质泄漏、蓄热密度较大和相变时恒温等优点而成为近年来研究的热点。

相变材料按相变温度分类，其中相变温度在500℃以上的相变材料称为高温相变材料。铝及铝硅合金属于高温相变蓄热材料中的一种，具有导热性好、热稳定性较好、相变潜热大、导热系数大和蓄热密度高等优点。若将铝或铝硅合金作为相变蓄热微胶囊的核，则对包覆材料有如下要求：耐腐蚀性好，周期稳定性好，温度应力强度高，抗氧化性好。

近年来，一些学者对铝及铝硅合金作为相变蓄热材料开展了一些研究，公开了一些含有铝或铝硅合金的复合相变蓄热材料。如“一种高温复合相变蓄热材料及其制备方法”(201310175016.1)专利技术，该技术采用白泥、高铝矾土和铝粉为原料，直接混合后压制成型，高温焙烧，制得一种高温复合相变蓄热材料；“一种具有相变蓄热功能的金属陶瓷及其制备方法”(201310293700.X)专利技术，以铝硅合金粉、刚玉粉为原料，以氧化镁为烧结助剂，经干法球磨、成型和焙烧，制得一种具有相变蓄热功能的金属陶瓷。上述技术方法皆是将相变材料作为原料直接用于复合相变蓄热材料的制备中，利用相变材料在发生相变时的吸热和放热实现蓄热目的。但是这种直接混合成型的方法在焙烧过程中铝或铝硅合金粉熔化后极易泄露及溢出，而且液相的铝或者铝硅合金也会降低材料的高温物理性能。

也有一些学者对铝或铝硅合金相变蓄热微胶囊的制作进行了研究：“一种Al/Al₂O₃蓄热材料及其制备方法”(201010127955.5)专利技术，以铝粉为原料，用雾化后氧气气氛冷却法制备了Al₂O₃包裹Al粉的核壳式复合相变蓄热材料。此种核壳结构的复合相变蓄热材料对设备要求高、制备工艺复杂和难于控制，制备的壳层较薄，难以满足强度要求。“一种高温相变蓄热微胶囊及其制备方法”(201710502031.0)专利技术，以铝硅合金粉为原料，用磷酸二氢铝溶液进行直接处理后形成相变蓄热微胶囊坯体，或将坯体焙烧后形成具有致密壳层的高温相变蓄热微胶囊。此种微胶囊的制备方法简单，但是制备的微胶囊之间有粘接、难以满足对分散性要求高的工业应用，且抗热循环有待加强。

发明内容

为了解决现有技术存在的不足，本发明提供了一种工艺简单和易于工业化生产的复合核壳结构相变蓄热材料的制备方法；用该方法制备的复合核壳结构相变蓄热材料分散性好、热循环次数多和热量利用率高。

一方面，本发明提供了一种复合核壳结构相变蓄热材料的制备方法，包括如下步骤：

将铝硅合金粉体、纳米氧化钙粉体、纳米氧化硅粉体与溶剂混合，制成混合浆体；

将所述混合浆体过滤、烘干，然后在90％以上湿度空气气氛和650～900℃条件下焙烧3～6h，得到复合核壳结构相变蓄热材料。

可选地，根据本发明的复合核壳结构相变蓄热材料的制备方法，所述铝硅合金粉体、纳米氧化钙粉体、纳米氧化硅粉体以及溶剂按照以下重量配比进行混合：铝硅合金粉体40～60％、纳米氧化钙粉体5～20％、纳米氧化硅粉体0.5～3％、溶剂30～40％。

可选地，根据本发明的复合核壳结构相变蓄热材料的制备方法，所述铝硅合金粉体的粒径≤88μm，且大于45μm；所述铝硅合金粉体中Si含量≤21％。

可选地，根据本发明的复合核壳结构相变蓄热材料的制备方法，所述纳米氧化钙粉体中CaO含量≥99％，粒径≤0.1μm。

可选地，根据本发明的复合核壳结构相变蓄热材料的制备方法，所述纳米氧化硅粉体中SiO₂含量≥99％，粒径≤0.1μm。

可选地，根据本发明的复合核壳结构相变蓄热材料的制备方法，将铝硅合金粉体、纳米氧化钙粉体、纳米氧化硅粉体与溶剂在25-35℃下搅拌15-25分钟，实现混合。

可选地，根据本发明的复合核壳结构相变蓄热材料的制备方法，所述溶剂为乙醇。

可选地，根据本发明的复合核壳结构相变蓄热材料的制备方法，所述乙醇的浓度≥90％。

可选地，根据本发明的复合核壳结构相变蓄热材料的制备方法，在90-97％的湿度空气气氛中进行焙烧。

另一方面，本发明还提供了根据上述制备方法制得的复合核壳结构相变蓄热材料。

本发明具有如下有益效果：

本发明制备的具有核壳结构的相变蓄热材料解决了铝硅合金作为相变蓄热材料在应用过程中熔化后易泄露的问题；能有效地为熔融状态的铝硅合金提供保护，避免铝硅合金的流失和由此造成的腐蚀，增加铝硅合金的循环使用次数。而且，本发明所用原料成本低，制备工艺简单，易控制，容易实现工业化生产。

具体实施方式

下面结合具体的实施方式对本发明作进一步的描述。

将铝硅合金粉体、纳米氧化钙粉体、纳米氧化硅粉体与溶剂混合，制成混合浆体；将所述混合浆体过滤、烘干，然后在90％以上湿度空气气氛和650～900℃条件下焙烧3～6h，冷却至室温，得到复合核壳结构相变蓄热材料。

优选地，所述铝硅合金粉体、纳米氧化钙粉体、纳米氧化硅粉体以及溶剂按照以下重量配比进行混合：铝硅合金粉体40～60％、纳米氧化钙粉体5～20％、纳米氧化硅粉体0.5～3％、溶剂30～40％。

本发明复合核壳结构相变蓄热材料的制备方法所采用的纳米氧化钙粉体在高湿度高温处理过程中会发生水化同时释放大量热量，纳米氧化硅粉体则能控制混合物发生反应的速度，使铝硅合金粉中的铝能生成氧化铝及氧化铝-铝酸钙复合物包覆在铝硅合金表面，形成复合核壳结构，且表面洁净，分散性好；同时，氧化钙的水化和失水以及与氧化铝的反应过程会使该氧化铝-铝酸钙复合物包覆层形成许多封闭微孔，该封闭微孔能够在防止合金熔体渗漏的同时缓冲热应力，抵抗热循环引起的破坏。由此，制备的具有核壳结构的相变蓄热材料解决了铝硅合金作为相变蓄热材料在应用过程中熔化后易泄露的问题；能有效地为熔融状态的铝硅合金提供保护，避免铝硅合金的流失和由此造成的腐蚀，增加铝硅合金的循环使用次数。

优选地，根据本发明的复合核壳结构相变蓄热材料的制备方法，所述铝硅合金粉体的粒径≤88μm，且大于45μm；所述铝硅合金粉体中Si含量≤21％。

进一步优选地，根据本发明的复合核壳结构相变蓄热材料的制备方法，所述纳米氧化钙粉体中CaO含量≥99％，粒径≤0.1μm。所述纳米氧化硅粉体中SiO₂含量≥99％，粒径≤0.1μm。由于粒径对热处理温度、最终产品的壳层表面光滑度以及壳层导热系数均有一定影响(例如，粒径小一些，热处理温度就低一些，壳层表面更光滑洁净，但同时壳层导热系数也会低一些，换向效率会差一些，表现为服役时的换向时间会较长些)，因此各原料的粒径选择尤为重要。本发明通过选择合适的粒径范围，配合适宜的热处理温度，使得最终制备得到的复合核壳结构相变蓄热材料在表面洁净度以及导热系数的综合性能方面表现最优。

优选地，根据本发明的复合核壳结构相变蓄热材料的制备方法，制备混合浆体的具体操作为：将铝硅合金粉体、纳米氧化钙粉体、纳米氧化硅粉体与溶剂在25-35℃下搅拌15-25分钟，实现混合。进一步优选地，在30℃恒温条件下搅拌20分钟，混合均匀。

本发明的复合核壳结构相变蓄热材料的制备方法中，制备混合浆体所用的溶剂采用常见的有机溶剂即可，例如可采用乙醇、丙醇、己烷、乙二醇等作为溶剂。优选地，本发明采用乙醇作为溶剂。进一步优选地所述乙醇的浓度≥90％。

本发明的复合核壳结构相变蓄热材料的制备方法中，将所述混合浆体过滤，烘干至恒重，然后装入刚玉坩埚置于马弗炉中进行焙烧。优选地，在90-97％的湿度空气气氛和650～900℃条件下焙烧3～6h。该焙烧的高湿度高温保证了纳米氧化钙粉体发生水化同时释放大量热量。

另一方面，本发明还提供了根据上述制备方法制得的复合核壳结构相变蓄热材料，该复合核壳结构相变蓄热材料分散性好、热循环次数多和热量利用率高。

为了具体的描述本发明，申请人通过以下示例对本申请的复合核壳结构相变蓄热材料制备方法进行说明。应当理解的是，下述具体的实施例仅作为本发明的具体实现方式的示例性说明，而不构成对本发明范围的限制。

实施例1

按照以下重量配比将铝硅合金粉体、纳米氧化钙粉体、纳米氧化硅粉体与浓度为93％的乙醇在25℃恒温条件下搅拌25min混合均匀，得到混合浆体：铝硅合金粉体40％、纳米氧化钙粉体17％、纳米氧化硅粉体3％、乙醇40％。

将所述混合浆体过滤，烘干至恒重，然后装入刚玉坩埚置于马弗炉中，在95％湿度空气气氛和650℃条件下焙烧6h，冷却至室温，即得到复合核壳结构相变蓄热材料。

将本实施例制备的复合核壳结构相变蓄热材料在650℃下经5000次热循环，相变潜热保持率为93％。

实施例2

按照以下重量配比将铝硅合金粉体、纳米氧化钙粉体、纳米氧化硅粉体与浓度为95％的乙醇在30℃恒温条件下搅拌20min混合均匀，得到混合浆体：铝硅合金粉体45％、纳米氧化钙粉体20％、纳米氧化硅粉体0.5％、乙醇34.5％。

将所述混合浆体过滤，烘干至恒重，然后装入刚玉坩埚置于马弗炉中，在95％湿度空气气氛和700℃条件下焙烧5h，冷却至室温，即得到复合核壳结构相变蓄热材料。

实施例3

按照以下重量配比将铝硅合金粉体、纳米氧化钙粉体、纳米氧化硅粉体与浓度为92％的乙醇在35℃恒温条件下搅拌20min混合均匀，得到混合浆体：铝硅合金粉体50％、纳米氧化钙粉体10％、纳米氧化硅粉体2％、乙醇38％。

将所述混合浆体过滤，烘干至恒重，然后装入刚玉坩埚置于马弗炉中，在93％湿度空气气氛和750℃条件下焙烧4.5h，冷却至室温，即得到复合核壳结构相变蓄热材料。

实施例4

按照以下重量配比将铝硅合金粉体、纳米氧化钙粉体、纳米氧化硅粉体与浓度为93％的乙醇在30℃恒温条件下搅拌20min混合均匀，得到混合浆体：铝硅合金粉体60％、纳米氧化钙粉体8.5％、纳米氧化硅粉体1.5％、乙醇30％。

将所述混合浆体过滤，烘干至恒重，然后装入刚玉坩埚置于马弗炉中，在90％湿度空气气氛和850℃条件下焙烧3.5h，冷却至室温，即得到复合核壳结构相变蓄热材料。

将本实施例制备的复合核壳结构相变蓄热材料在650℃下经5000次热循环，相变潜热保持率为94％。

实施例5

按照以下重量配比将铝硅合金粉体、纳米氧化钙粉体、纳米氧化硅粉体与浓度为93％的乙醇在25℃恒温条件下搅拌25min混合均匀，得到混合浆体：铝硅合金粉体55％、纳米氧化钙粉体9％、纳米氧化硅粉体1％、乙醇35％。

将所述混合浆体过滤，烘干至恒重，然后装入刚玉坩埚置于马弗炉中，在97％湿度空气气氛和900℃条件下焙烧3h，冷却至室温，即得到复合核壳结构相变蓄热材料。

将本实施例制备的复合核壳结构相变蓄热材料在650℃下经5000次热循环，相变潜热保持率为95％。

实施例6

按照以下重量配比将铝硅合金粉体、纳米氧化钙粉体、纳米氧化硅粉体与浓度为93％的乙醇在30℃恒温条件下搅拌20min混合均匀，得到混合浆体：铝硅合金粉体55％、纳米氧化钙粉体5％、纳米氧化硅粉体2.5％、乙醇37.5％。

将所述混合浆体过滤，烘干至恒重，然后装入刚玉坩埚置于马弗炉中，在95％湿度空气气氛和800℃条件下焙烧4h，冷却至室温，即得到复合核壳结构相变蓄热材料。

对比例1-8

对比例1-8中，铝硅合金粉体、纳米氧化钙粉体、纳米氧化硅粉体与乙醇按照表1的重量配比进行混合，其他参数与实施例5相同。

表1

对比例	铝硅合金粉体	纳米氧化钙粉体	纳米氧化硅粉体	乙醇
					1	37	20	3	40
2	62	5	0.5	32.5
					3	60	3	2	35
4	40	25	0.5	34.5
					5	49.8	15	0.2	35
6	50	16.5	3.5	30
					7	57	0	3	40
8	50	15	0	35

对上述对比例1-8制备的相变蓄热材料进行热循环试验，具体结果如下表2所示。

表2

对比例	热循环温度(℃)	热循环次数(次)	相变潜热保持率(％)
				1	650	4500	88
2	650	4500	83
				3	650	4500	84
4	650	4500	82
				5	650	4500	83
6	650	4500	84
				7	650	4500	80
8	650	4500	81

由上述表1和表2可以看出，本发明正是由于添加了纳米氧化钙粉体、纳米氧化硅粉体，该两者与铝硅合金粉体发生协同作用，生成具有复合核壳结构的相变蓄热材料，有效利用了铝硅合金粉体的相变潜热，并且潜热保持率高，提高了热量利用率。同时，铝硅合金粉体、纳米氧化钙粉体、纳米氧化硅粉体各组分的配比对复合核壳结构的相变蓄热材料的最终性能也有重要影响，铝硅合金粉体40～60％、纳米氧化钙粉体5～20％、纳米氧化硅粉体0.5～3％、溶剂30～40％的重量配比在增加热循环次数，保持较高相变潜热率上有明显优势。

对比例9-12

对比例9-12中，铝硅合金粉体、纳米氧化钙粉体、纳米氧化硅粉体的粒径如下表3所示，其他参数与实施例5相同。

表3

对上述对比例9-12制备的相变蓄热材料进行热循环试验，具体结果如下表4所示。

表4

对比例	热循环温度(℃)	热循环次数(次)	相变潜热保持率(％)
				9	650	4500	86
10	650	4500	85
				11	650	4500	82
12	650	4500	82

由上述表3和表4可以看出，铝硅合金粉体、纳米氧化钙粉体、纳米氧化硅粉体的粒径对复合核壳结构的相变蓄热材料的最终性能有重要影响，本发明技术方案限定的粒径范围内，相变蓄热材料在增加热循环次数，保持较高相变潜热率上有明显优势。

应该注意的是，上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。单词第一、第二以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些单词解释为名称。

Claims

1.一种复合核壳结构相变蓄热材料的制备方法，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的复合核壳结构相变蓄热材料的制备方法，其特征在于：所述铝硅合金粉体、纳米氧化钙粉体、纳米氧化硅粉体以及溶剂按照以下重量配比进行混合：铝硅合金粉体40～60％、纳米氧化钙粉体5～20％、纳米氧化硅粉体0.5～3％、溶剂30～40％。

3.根据权利要求1或2所述的复合核壳结构相变蓄热材料的制备方法，其特征在于：所述铝硅合金粉体的粒径≤88μm，且大于45μm；所述铝硅合金粉体中Si含量≤21％。

4.根据权利要求1或2所述的复合核壳结构相变蓄热材料的制备方法，其特征在于：所述纳米氧化钙粉体中CaO含量≥99％，粒径≤0.1μm。

5.根据权利要求1或2所述的复合核壳结构相变蓄热材料的制备方法，其特征在于：所述纳米氧化硅粉体中SiO₂含量≥99％，粒径≤0.1μm。

6.根据权利要求1或2所述的复合核壳结构相变蓄热材料的制备方法，其特征在于：将铝硅合金粉体、纳米氧化钙粉体、纳米氧化硅粉体与溶剂在25-35℃下搅拌15-25分钟，实现混合。

7.根据权利要求1或2所述的复合核壳结构相变蓄热材料的制备方法，其特征在于：所述溶剂为乙醇。

8.根据权利要求7所述的复合核壳结构相变蓄热材料的制备方法，其特征在于：所述乙醇的浓度≥90％。

9.根据权利要求1或2所述的复合核壳结构相变蓄热材料的制备方法，其特征在于：在90-97％的湿度空气气氛中进行焙烧。

10.一种根据权利要求1-9任一项所述的制备方法制得的复合核壳结构相变蓄热材料。