CN112521153A - 一种生物形态碳化硅陶瓷高温光热储存材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种生物形态碳化硅陶瓷高温光热储存材料及其制备方法，该储热材料由生物形态碳化硅陶瓷骨架、氯化盐复合制成。生物形态碳化硅陶瓷是一种将熔融硅与木炭多孔前驱体高温反应生成的陶瓷材料，不同的木材前驱体可以获得具有不同孔隙率的碳化硅陶瓷骨架。相变储热材料是将氯化钠与氯化钾于球磨机中充分混合均匀并干燥制得氯化钠钾共晶盐。采用真空浸渍法将相变储热材料包覆于生物形态碳化硅陶瓷骨架使得陶瓷骨架孔隙中填充相变材料，即可得到生物形态碳化硅陶瓷高温光热储存材料。本发明制备的复合材料导热率高（116 W/mK）、光谱吸收性能高（92%）、储热密度高（453kg/kJ）的优良特性，有望推动构建清洁低碳、高效安全能源体系的发展。

Description

一种生物形态碳化硅陶瓷高温光热储存材料
技术领域
本发明涉及相变储热材料领域，特指一种利用生物形态多孔碳化硅陶瓷、氯化盐复合制备的储热材料。
背景技术
世界90%以上的能源在开采、转换、输送与利用过程中都与热相关。储热可以有效缓解热能供给与需求在时间、空间、强度上不匹配的问题，提高能源利用率，降低能源利用成本，因此是构建清洁低碳、高效安全能源体系的关键技术！
储热技术有三种，其中潜热和显热技术研究最多。然而，无论哪种技术，都存在高储热密度与高功率密度难以兼顾的问题。以显热型陶瓷材料为例，陶瓷比热容小，储热密度低。潜热型相变材料相变潜热大，储热密度高，但导热系数小，功率密度低（储的慢）！。如何同时提高储热密度与功率密度，目前尚无有效方法。
储热的能量来源主要有太阳能和余热两种。现有的太阳能储热系统多为表面式，太阳能先被表面吸收转换成热量，再传给工质，传热环节多，热量损失大。传统被动式余热储存系统自适应调控能力弱，能量利用率低。这些瓶颈极大制约了可再生能源及余热的高效利用技术的发展！
因此发展快响应、大容量、高效率、长寿命储热技术迫在眉睫！为了实现这一目标，我们向自然学习！具体思路是：树木中的等级孔结构对储热材料进行仿生，增加负载、改善稳定性、提高储热密度。
发明内容
发明目的：提供一种生物形态碳化硅陶瓷高温光热储存材料，该复合相变储热材料导热性能更高，光谱吸收性能更高，储热密度更高。
本发明的另一目的是提供上述储热材料的制备方法。
本发明的另一目的是通过以下技术方案实现的：
一种生物形态碳化硅陶瓷高温光热储存材料，其特征在于：该复合相变储热材料由氯化盐、多孔碳化硅骨架复合制成，其中多孔碳化硅陶瓷骨架的质量分数占70%，氯化盐的质量分数占30%。氯化盐中氯化钠的质量分数占60±1%，氯化钾的质量分数占40±1%。上述材料中选用的多孔生物碳化硅孔隙率为50±5%。
此外，本发明还公开一种生物形态碳化硅陶瓷高温光热储存材料，包括以下步骤：
第一步：生物形态碳化硅陶瓷骨架的制备。
将木头初步切割，于干燥箱中干燥后置于管式炉中升温至900~1100℃保温 30~60分钟；出炉，将碳化后的前驱体精细切割；将切割后的前驱体置于高温炉中，真空氛围下与过量的硅在1550~1650℃下反应1~4小时；然后置于1900±50℃的真空氛围中保温4~6小时，得到生物形态的多孔碳化硅陶瓷备用。
第二步：高温相变储热材料制备。
按比例称取氯化钠和氯化钾置于球磨机中充分混合均匀后，置于管式炉中在氮气氛围下充分干燥，得到相变储热材料备用。
第三步：生物形态碳化硅陶瓷高温光热储存材料。
将第二步所得相变储热材料置于坩埚中使其包覆第一步所得的生物形态碳化硅陶瓷，在管式炉中，真空氛围下加热至665~675℃并保温3~4小时，即得到生物形态碳化硅陶瓷高温光热储存材料。
本发明一种生物形态碳化硅陶瓷高温光热储存材料的制备方法，第一步中，将木头切割成长度70mm，宽度50mm，厚度30mm的长方体。
本发明一种生物形态碳化硅陶瓷高温光热储存材料的制备方法，第一步中，初步切割后的木头置于干燥箱中70℃干燥2~3天。
本发明一种生物形态碳化硅陶瓷高温光热储存材料的制备方法，第一步中，干燥后的木头置于管式炉中，氮气保护氛围，以0.5℃/min的升温速率升温至500℃，再以1℃/min的升温速率升温至900~1100℃保温 30~60分钟，再以1℃/min的降温速率降温至室温，慢的升降温速率以确保得到无裂纹的碳前驱体。
本发明一种生物形态碳化硅陶瓷高温光热储存材料的制备方法，第一步中，用打孔机和线切割机将碳化后的前驱体精细切割成直径12.7mm，厚度3mm的圆片。
本发明一种生物形态碳化硅陶瓷高温光热储存材料的制备方法，第一步中，用足量的硅粉包覆切割后的前驱体置于高温炉中，真空氛围下升温至1550~1650℃，保温1~4小时，升温速率≤10℃/min，此条件下化学反应才可充分进行。
本发明一种生物形态碳化硅陶瓷高温光热储存材料的制备方法，第一步中，将碳化硅陶瓷和多余硅置于高温炉中加热到1900℃，真空氛围，保温4~6小时，升温速率≤10℃/min，此条件下得到的样品致密性最优，可有效去除残余硅，非此条件下得到的样品性能和形貌都不及此样品。
本发明一种生物形态碳化硅陶瓷高温光热储存材料的制备方法，第二步中，氯化钠和氯化钾的质量分数占比为60%:40%。
本发明一种生物形态碳化硅陶瓷高温光热储存材料的制备方法，第二步中，球磨机的转速为300r/min，混合时间为2~3小时，此条件下得到的粉末细度共晶效果好于其他条件。
本发明一种生物形态碳化硅陶瓷高温光热储存材料的制备方法，第二步中，将混合后的氯盐置于管式炉中，氮气氛围，90℃干燥1~2 h，随即升温至350℃干燥1~2 h，此条件下得到的样品性能最优。
本发明一种生物形态碳化硅陶瓷高温光热储存材料的制备方法，第三步中，将第二步所得氯盐置于坩埚中使其包覆第一步所得的生物形态碳化硅陶瓷，在管式炉中加热至665~675℃，真空氛围，保温3~4h，升温速率≤3℃/min，此条件下得到的样品浸渍性能最好，可有效封住相变材料不外泄，非此条件下得到的样品性能和形貌都不及此样品。
本发明由于采用上述技术方案，以生物形态碳化硅陶瓷骨架与氯化盐复合，制备出高温复合相变材料。本发明制备的复合相变储热材料导热性能更高，光谱吸收性能更高，储热密度更高，陶瓷骨架导热率为113W/mK，相变材料的焓值高达411J/g，融化温度为663℃，复合材料导热率高达116W/mK，复合材料平均光谱吸收率高达92%，复合材料储热密度高达453kg/kJ。本发明具有导热率高、相变潜热大、毒性小、腐蚀性小等优点，作为相变储热材料使用，提高了能量转换效率。
本发明的优点有：
（1）本发明的生物碳化硅陶瓷骨架保留了树木原有的形态，具有优良的质量传输能力；
（2）本发明制备的复合相变储热材料导热性能更高，吸热放热速度更快；
（3）本发明制备的复合相变储热材料光谱吸收性能更高，全光谱太阳能捕获能力强；
（4）本发明制备的复合相变储热材料储热密度更高，同时兼顾高储热密度与高功率密度；
（5） 发明制备的复合相变储热材料各成分的物理化学特性，具有耐腐蚀、相变焓高的特点。
附图说明
图1是实施方式的制备流程图；
图2是实施方式碳化后不同种类木材的SEM照片。
图3 是实施方式不同种类木材常温下的导热率。
图4 是实施方式生物形态碳化硅陶瓷复合材料的导热率。
图5是生物形态碳化硅陶瓷复合材料平均光谱吸收率。
具体实施方式
本发明实施及比例中各参数测量方法是：
1、采用激光导热仪测量材料的导热率。
2、采用DSC测试材料的相变潜热值。
3、 采用DSC测试材料的比热容。
4、采用分光光度计测试材料的光谱吸收率。
下面以实例，对本发明的实施方式作进一步说明：
第一步：仿生型碳化硅陶瓷骨架的制备。
将木头切割成长度70mm，宽度50mm，厚度30mm的长方体。切割好的木头置于干燥箱中70℃干燥2~3天。置于管式炉中，氮气保护氛围，以0.5℃/min的升温速率升温至500℃，再以1℃/min的升温速率升温至900~1100℃保温 30~60分钟。用打孔机和线切割机将碳化后的前驱体精细切割成直径12.7mm，厚度3mm的圆片。用足量的硅粉包覆切割后的前驱体置于高温炉中，真空氛围下升温至1550~1650℃，保温1~4h，升温速率≤10℃/min。将碳化硅陶瓷和多余硅置于高温炉中加热到1900±50℃，真空氛围，保温4~6 h，升温速率≤10℃/min，去除多余硅，得到生物形态多孔碳化硅陶瓷。
第二步：高温相变储热材料制备。
将6g氯化钠和4g氯化钾置于球磨机中以300r/min的转速充分混合2~3小时。将混合后的氯化盐置于管式炉中氮气氛围于90℃下干燥1~2 h，并于350℃下干燥1~2 h，得到相变储热材料备用。
第三步：生物形态碳化硅陶瓷高温光热储存材料。
将第二步所得相变储热材料置于坩埚中使其包覆第一步所得的生物形态碳化硅陶瓷，在管式炉中，真空氛围下加热至665~675℃并保温3~4小时，即得到生物形态碳化硅陶瓷高温光热储存材料。
本实施例制备的生物形态高温相变复合储热材料性能参数如下：
陶瓷骨架导热率为113W/mK，相变材料的焓值高达411J/g，融化温度为663℃，复合材料导热率高达116 W/mK，复合材料平均光谱吸收率高达92%，复合材料储热密度高达453kg/kJ。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围内，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种生物形态碳化硅陶瓷高温光热储存材料，其特征在于：该复合相变储热材料由氯化盐、多孔碳化硅骨架复合制成，其中多孔碳化硅陶瓷骨架的质量分数占70%，氯化盐的质量分数占30±3%，氯化盐中氯化钠的质量分数占60±1%，氯化钾的质量分数占40±1%。
2.根据权利要求1所述的生物形态碳化硅陶瓷高温光热储存材料，其特征在于，所述多孔生物碳化硅孔隙率为50±5%。
3.一种根据权利要求1所述的生物形态碳化硅陶瓷高温光热储存材料的制备方法，其特征在于，它包括如下步骤：
第一步：生物形态碳化硅陶瓷的制备；将木头初步切割，于干燥箱中干燥后置于管式炉中升温至900~1100℃保温 30~60分钟；出炉，将碳化后的前驱体精细切割；将切割后的前驱体置于高温炉中，真空氛围下与过量的硅在1550~1650℃下反应1~4小时；然后置于1900±50℃的真空氛围中保温4~6小时，得到生物形态的多孔碳化硅陶瓷；
第二步：高温相变储热材料的制备；按比例称取氯化钠和氯化钾置于球磨机中充分混合均匀后，置于管式炉中在氮气氛围下充分干燥，得到相变储热材料备用；
第三步：生物形态碳化硅陶瓷高温光热储存材料的制备；将第二步所得相变储热材料置于坩埚中使其包覆第一步所得的生物形态碳化硅陶瓷，在管式炉中，真空氛围下加热至665~675℃并保温3~4小时，即得到生物形态碳化硅陶瓷高温光热储存材料。
4.根据权力要求3所述的生物形态碳化硅陶瓷高温光热储存材料的制备方法，其特征为：所述第一步中，将木头切割成长度70mm，宽度50mm，厚度30mm的长方体，初步切割后的木头置于干燥箱中70℃干燥2~3天。
5.根据权力要求3所述的生物形态碳化硅陶瓷高温光热储存材料的制备方法，其特征在于：所述第一步中，干燥后的木头置于管式炉中，氮气保护氛围，以0.5℃/min的升温速率升温至500℃，再以1℃/min的升温速率升温至900~1100℃保温 30~60分钟，再以1℃/min的降温速率降温至室温。
6.根据权力要求3所述的生物形态碳化硅陶瓷高温光热储存材料的制备方法，其特征在于：所述第一步中，打孔机和线切割机将碳化后的前驱体精细切割成直径12.7mm，厚度3mm的圆片；用足量的硅粉包覆切割后的前驱体置于高温炉中，真空氛围下升温至1550~1650℃，保温1~4小时，升温速率≤10℃/min。
7.根据权力要求3所述的生物形态碳化硅陶瓷高温光热储存材料的制备方法，其特征在于：所述第一步中，将碳化硅陶瓷和多余硅置于高温炉中加热到1900±50℃，真空氛围，保温4~6小时，升温速率≤10℃/min。
8.根据权力要求3所述的生物形态碳化硅陶瓷高温光热储存材料的制备方法，其特征在于：所述第二步中，氯化钠和氯化钾的质量分数占比为60%:40%。
9.根据权力要求3所述的生物形态碳化硅陶瓷高温光热储存材料的制备方法，其特征在于：所述第二步中，球磨机的转速为300r/min，混合时间为3小时，将混合后的氯盐置于管式炉中，氮气氛围，90℃干燥2~6h，随即升温至350℃干燥2~6h。
10.根据权力要求3所述的生物形态碳化硅陶瓷高温光热储存材料的制备方法，其特征在于：所述第三步中，将第二步所得氯盐置于坩埚中使其包覆第一步所得的生物形态碳化硅陶瓷，在管式炉中加热至665~675℃，真空氛围，保温4h，升温速率≤5℃/min。
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