专利名称：泡沫碳/金属基光热复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明属于太阳能利用技术领域，特别涉及一种泡沫碳/金属基光热复合材料。
背景技术：
泡沫碳是一种多孔轻质固体材料，具有低密度、低膨胀系数、比表面积大的特点，并显示出优良的机械性能、导热性能和耐腐蚀性能。泡沫碳有两种结构类型，一种是非石墨化、具有很大开孔和柱状韧带的五边形十二面体结构，另一种是石墨化的球形气孔状结构，微孔分布较均匀，孔隙率在30%到90%之间，平均孔径为100-600 u m,开孔率可根据需要在0至100%间进行调整。与石墨、碳纳米管、碳纤维等碳材料不同，泡沫碳的导热率在宏观上有各向同性的特点，经石墨化后导热率大幅提升，沿着石墨晶面的蜂窝壁导热率可达1700W/mK，而材料的平均导热率也可达到50-200W/mK。因此泡沫碳由于其低密度、高导热的特点，一般被用作超轻型高导热散热材料。泡沫碳拥有非常高的热吸收率，其具有的C-C键是目前热吸收率最高的几种化学键之一，有着高达0.95以上的理论热吸收率。虽然泡沫碳是多孔结构，C-C键的密度并不高，但其多孔结构在另一方面却可以一定程度地提高泡沫碳的热吸收率，不同孔隙率、不同孔径的泡沫碳在不同温度下的实际热吸收率可达0.65-0.95。目前泡沫碳尤其是石墨化泡沫碳的低密度、高热吸收率和各向同性高导热率的特点使其在光热转换尤其是光热发电领域很有优势，但它并不能单独作为光热发电过程中的集热材料来使用，因为泡沫碳的通孔结构无法阻止工作介质的流出，且泡沫碳韧性很差，在温度剧烈变化的热震过程中容易开裂，再加上其应用大多局限在轻质、导热材料领域，这些都是导致泡沫碳没有被广泛应用于光热发电的主要原因。。光热材料是光热发电领域的核心材料之一，它的热吸收率和导热率决定着光热发电的转换效率。材料的热吸收率主要取决于表面材料的热吸收率，而材料的导热率取决于材料整体的成分和结构。专利CN1570512A提出了一种太阳能集热材料，该材料在泡沫金属的基础上覆盖选择吸收涂层，然后再与导热材料(一般为铝合金板、铜合金管等金属基材料)相连接，获得了较高的热吸收率。该集热材料利用了泡沫金属材料的多孔结构提高物体热吸收率，并且配合具有较高热吸收率的金属基导热材料，但是它存在多方面的不足:
(I)热吸收率和导热率难兼顾。金属基材料的热吸收率低，所以表面必须覆盖高热吸收率的涂层，但热吸收率高的涂层(比如石墨)一般只在沿着表面的方向导热率高，而垂直于表面方向的导热率较差，影响了整体性能；(2)涂层与泡沫金属在剧烈温度变化下易脱落；(3)重量大。所以，该复合材料只能适用于低聚光度、较低温度、对光热转化率要求不高的情况下使用。专利申请文件CN102400006A中提到一种泡沫碳/铜基或铝基复合材料及其制备方法，将铝和铜等金属基材料作为母体、泡沫碳作为骨架，经过高温高压将金属基材料熔体压渗进泡沫碳中制成复合材料。利用泡沫碳石墨化后C-C键的高导热性和泡沫碳的轻质性使得这种复合材料获得一种低密度、各向同性高导热的性能。但由于该复合材料表面大部分由金属基材料构成，而金属基材料的热吸收率一般不超过0.30，所以该复合材料不能满足光热转换的需要。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提供了一种泡沫碳/金属基光热复合材料及其制备方法，本发明涉及的复合材料既具有表面泡沫碳提供的很高的热吸收率，又兼顾了复合材料的导热性，还解决了泡沫碳作为光热材料韧性差、不封闭的问题。本发明提供的一种泡沫碳/金属基光热复合材料，其特征在于:该复合材料主要由金属材料作为基底，在该金属材料的一个表面或两个表面结合一层石墨化泡沫碳作为表面材料构成，泡沫碳与金属材料基底之间表面直接相连接，或泡沫碳与金属材料基底之间表面用过渡材料相连接。所述的金属基材料可为Al基、Fe基、Ni基、Co基和Cu基材料中的一种。所述的泡沫碳孔隙率为30%_80%，开孔率大于50%。所述的泡沫碳为石墨化结构，热导率大于130W/mK。本发明还提供一种制备上述泡沫碳/金属基光热复合材料的方法，其特征在于:先将金属基材料板通过炉内加热、火焰加热或辐射加热方式使表面软化或熔化，再将软化或熔化的金属材料表面直接与泡沫碳一表面进行复合成一整体。本发明还提供第二种制备上述泡沫碳/金属基光热复合材料的方法，其特征在于:在金属基材料与泡沫碳表面之间涂覆一层高温有机聚合物母体材料(比如环氧改性高温树脂、塑料、浙青、胶体等)的过渡材料，通过加热使该过渡材料软化及固化(根据选用的具体材料确定)，将泡沫碳与金属基材料相连接成一整体。本发明还提供第三种制备上述泡沫碳/金属基光热复合材料的方法，其特征在于:在金属基材料与泡沫碳表面之间覆盖一层纳米金属粉末(选取熔点温度低于金属基材料的纳米金属粉末即可)过渡材料；通过加热使该纳米金属粉末软化或熔化，将泡沫碳与金属基材料相连接成一整体。由于纳米金属粉末表面能非常高，所以其熔点大幅低于块体材料，这就保证金属基板在加热过程中几乎不受影响。本发明的工作原理:本发明提出的泡沫碳/金属基光热复合材料在进行实际光热转换的工作中可分为两个过程，首先是环境中的电磁波尤其是太阳光与泡沫碳表面的电子相互影响，环境中的电磁波高效地与泡沫碳表面的电子热运动相互转换；然后是泡沫碳表面的电子热运动通过泡沫碳网络结构和金属基材料内部的自由电子迅速向内部传导，实现高效、快速的传热过程，进而加热所需要的工质。本发明的泡沫碳作为光热材料与作为传统导热材料的泡沫碳从原理上是截然不同的，光热转换过程即黑体辐射过程是电磁波与电子热运动的转换，由材料的电子态密度决定(而导热过程是电子热运动的传递，由材料的电子结构决定。石墨化泡沫碳具有很强的热吸收能力)，几毫米厚的泡沫碳就几乎可以将表面电磁波吸收殆尽，使得该泡沫碳/金属基光热复合材料的热吸收性能仅与表面的泡沫碳有关。本发明提出的泡沫碳/金属基光热复合材料具有质量轻、热吸收率高、热吸收部分导热率高且导热各向同性的特点，其泡沫碳一侧的热吸收率(光热转化率)在不同温度下可达 0.65-0.95。泡沫碳与金属基材料都易于加工，所以该复合材料在尺寸和形状上没有具体限制。
具体实施例方式下面通过具体实施方式
对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。实施例1泡沫碳/铝合金三明治结构光热复合材料:以熔点在600°C以上的铝合金(Al-0.2B)作为金属基材料，通过火焰加热对厚度为3_的铝合金的一侧表面进行软化，将铝合金表面温度控制在550°C以下，然后将厚度为50mm、孔隙率为50%、开孔率为90%的石墨化泡沫碳压在铝合金的受热表面，静压2小时以上，得到泡沫碳/铝合金光热复合材料。在铝合金另一侧重复上述步骤，得到泡沫碳/铝合金三明治结构光热复合材料，该复合材料适合在非高温工作情况下使用。实施例2泡沫碳/45#钢环形光热复合材料:对外径为30mm的45#钢管(金属基材料)外表面进行抛光，在其表面涂覆厚度为10 ii m的5wt.%石墨掺杂环氧改性高温树脂；然后在长度与45#钢管相同，直径为50mm的泡沫碳中心轴向加工一个直径为30mm的通孔，将该环形泡沫碳与上述表面涂覆的45#钢管进行配合，在二者的间隙处加入JRC-681固化剂，在100°C _200°C热处理后，得到泡沫碳/45#钢环形光热复合材料，该复合材料可以作为低聚光度下的光热转换材料。实施例3泡沫碳/镍合金光热复合材料:以熔点在1300°C左右的镍合金作为金属基材料。在厚度为1.7mm的、洁净的镍合金表面均匀放置100 u m厚、直径为50nm的纳米镍粉，将厚度为5mm、孔隙率为30%、开孔率为70%的石墨化泡沫碳静压在其表面，在Ar气保护下，于高温马弗炉中缓慢加热至1000°C以上保温，缓慢冷却，得到泡沫碳/镍合金光热复合材料，该复合材料适合在高温工作情况下使用。
权利要求
1.一种泡沫碳/金属基光热复合材料，其特征在于，该复合材料主要由金属材料作为基底，在该金属材料的一个表面或两个表面结合一层石墨化泡沫碳作为表面材料构成，泡沫碳与金属材料基底之间表面直接相连接，或泡沫碳与金属材料基底之间表面用过渡材料相连接。
2.根据权利要求1中所述的泡沫碳/金属基光热复合材料，其特征在于:所述的金属基材料为Al基、Fe基、Ni基、Co基和Cu基材料中的一种。
3.根据权利要求1中所述的泡沫碳/金属基光热复合材料，其特征在于:所述的泡沫碳孔隙率为30%-80%，开孔率大于50%。
4.根据权利要求1中所述的泡沫碳/金属基光热复合材料，其特征在于:所述的泡沫碳为石墨化结构，热导率大于130W/mK。
5.—种如权利要求1中所述的泡沫碳/金属基光热复合材料的制备方法，其特征在于:先将金属基材料板通过炉内加热、火焰加热或辐射加热方式使表面软化或熔化，再将软化或熔化的金属材料表面直接与泡沫碳一表面进行复合成一整体。
6.—种如权利要求1中所述的泡沫碳/金属基光热复合材料的制备方法，其特征在于:在金属基材料与泡沫碳表面之间涂覆一层高温有机聚合物母体材料的过渡材料，通过加热使该过渡材料软化及固化，将泡沫碳与金属基材料相连接成一整体。
7.—种如权利要求1中所述的泡沫碳/金属基光热复合材料的制备方法，其特征在于:在金属基材料与泡沫碳表面之间覆盖一层纳米金属粉末过渡材料；通过加热使该纳米金属粉末软化或熔化，将泡沫碳与金属基材料相连接成一整体。
全文摘要
本发明涉及一种泡沫碳/金属基光热复合材料，属于太阳能利用技术领域。该复合材料该复合材料主要由金属材料作为基底，在该金属材料的一个表面或两个表面结合一层石墨化泡沫碳作为表面材料构成，泡沫碳与金属材料基底之间表面直接相连接，或泡沫碳与金属材料基底之间表面用过渡材料相连接。该方法为先将金属基材料板通过加热使表面软化或熔化，再将软化或熔化的金属材料表面直接与泡沫碳一表面进行复合成一整体。本发明具有高热吸收率、高热导率、及导热各向同性的特点，并且密度较低，耐腐蚀性能好，易加工，该复合材料可以高效地吸收电磁波并转化为热能，也可以高效地将热能转化为电磁波，为光热转换提供新的材料选择。
文档编号B32B9/04GK103101246SQ201310059
公开日2013年5月15日 申请日期2013年2月26日 优先权日2013年2月26日
发明者赵骁 申请人:赵骁