一种多响应碳化硅气凝胶基复合相变储热材料及其制备方法和应用

本发明属于材料工程，具体涉及一种多响应碳化硅气凝胶基复合相变储热材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、面对持续增加的二氧化碳减排压力，开发清洁能源技术，实现能源高效利用刻不容缓。相变储热材料利用相变过程的潜热储存和释放大量热能，具有储热密度高、相变温度稳定、原料丰富和成本低等优点，商业化推广前景广阔，在建筑节能、太阳能储热和电子设备热管理等领域具有巨大的应用潜力，其关键是高性能相变储热材料的设计与开发。

2、相变储热材料以潜热的形式储热和释放热能，相变过程发生在一个窄的温度区间内，因而材料对热能产生响应。太阳能是一种重要的清洁能源，具有资源丰富、分布广泛等优点。太阳能储热材料是太阳能利用系统中的关键材料之一，通过吸收太阳能后以潜热的形式储存热量，这要求材料可以对光能产生响应。由于电能生产和消费在不同时间存在差异，导致电力系统负荷变化，存在峰谷差异；通过充分利用夜间谷电储能，削峰填谷，可减少运行费用支出。材料在通电条件下，将电能转化为热能，以潜热的形式储存热量，这就要求材料可以对电能产生响应。随着通讯技术不断发展，生活环境中的电磁波越来越多，如果相变储热材料能对电磁波产生响应，可以将电磁波能量转化为热能储存起来，将产生巨大的经济效益和环境效益，具有广阔的应用前景。

3、目前相变储热材料响应形式相对单一，大多只对一种或两种能量形式产生响应，特别是缺少对电磁波的响应能力，能同时对热、光、电、电磁波具有响应能力的相变储热材料尚未见报道。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种多响应碳化硅气凝胶基复合相变储热材料及其制备方法和应用，用于解决现有相变储热材料存在的响应形式单一，不能同时对热、光、电、电磁波具有响应能力的技术问题。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、本发明公开的多响应碳化硅气凝胶基复合相变储热材料，以质量百分比计，由0.7％～15.6％的碳化硅、2.0％～5.0％的碳材料和79.4％～97.3％的相变物质制得。

4、优选地，所述碳化硅为碳化硅纳米线气凝胶。

5、优选地，所述相变物质为硬脂酸、石蜡、硝酸钾、硝酸钠、氯化锂和氟化锂中的一种或几种。

6、本发明还公开了上述的一种多响应碳化硅气凝胶基复合相变储热材料的制备方法，包括以下步骤：

7、1)采用化学气相沉积工艺，利用载气运输碳源，将碳源沉积在碳化硅纳米线气凝胶表面，得到表面包覆碳材料的碳化硅气凝胶；

8、2)在表面包覆碳材料的碳化硅气凝胶中加入相变物质，加热融化后，进行真空浸渍反应，得到多响应碳化硅气凝胶基复合相变储热材料。

9、优选地，步骤1)中，碳源为甲烷，载气为氢气。

10、优选地，步骤1)中，化学气相沉积的沉积温度为940～1320℃。

11、优选地，步骤1)中，化学气相沉积的沉积时间为1～5小时。

12、优选地，步骤2)中，加热温度为85～105℃。

13、优选地，步骤2)中，真空浸渍反应的真空度为-0.5～-0.8mpa，真空反应时间为5-60分钟。

14、本发明还公开了上述的多响应碳化硅气凝胶基复合相变储热材料作为储热材料中的应用。

15、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

16、本发明公开的多响应碳化硅气凝胶基复合相变储热材料，其成分中的碳化硅具有耐高温和耐腐蚀特性，可以根据不同应用需求装载不同相变温度的相变物质，从而具有更宽的使用温度范围；且碳化硅为半导体材料，在通电条件下可产生大量焦耳热，此外，碳化硅还具有吸波特性；碳化硅表面包覆的碳材料可以增强多孔基体的电能和电磁波响应能力，并赋予基体优良的光能响应能力。与现有的多孔基体装载相变物质复合材料相比，本发明制得的多响应特性的复合相变储热材料具有更高的储热容量，储热容量为所填充相变物质理论潜热的78.5％～97.1％，以填充硬脂酸为例，硬脂酸储热容量为208j/g，根据气凝胶孔隙率不同，复合材料储热容量163.28～201.97j/g；对热、光、电、电磁波均具有响应特性，可将不同形式的能量转化为热能储存起来。

17、进一步的，碳化硅为碳化硅纳米线气凝胶，具有三维联通网络结构，拥有低密度，高气孔率，高稳定性等优点，特别适合作为装载相变物质的多孔基体；其中，超低密度和超高气孔率的特性，使得本发明公开的多响应碳化硅气凝胶基复合相变储热材料与现有的多孔基体装载相变物质复合材料相比具有更高的储热容量；且碳化硅纳米线气凝胶具有良好的可变性能，可缓解相变材料相变过程中的体积变化，从而赋予多响应碳化硅气凝胶基复合相变储热材料更强的稳定性。

18、本发明公开的多响应碳化硅气凝胶基复合相变储热材料的制备方法，通过气相合成法制得具有三维联通网络结构的碳化硅纳米线气凝胶，其超低密度和超高气孔率的特性，使得本发明公开的多响应碳化硅气凝胶基复合相变储热材料具有更高的储热容量；采用化学气相沉积工艺，利用氢气运输碳源，将碳源沉积在碳化硅纳米线气凝胶表面，得到的表面包覆碳材料的碳化硅气凝胶，能够进一步提高复合材料导热率，加快材料储放热速率，增强多孔基体的电能和电磁波响应能力，并赋予基体优良的光响应能力；通过将相变物质装载在表面包覆碳的碳化硅气凝胶多孔基体的空隙中制得具有多响应碳化硅气凝胶基复合相变储热材料，该材料对热、光、电、电磁波均具有响应特性，可储存热能，或将光能、电能、电磁能转化为热能储存。

19、本发明制得的多响应碳化硅气凝胶基复合相变储热材料应用于储热材料中，其光能储热过程能量转化效率不低于82.0％；其电能储热过程能量转化效率不低于90.0％；其电磁储热过程能量转化效率不低于71.0％。

技术特征：

1.一种多响应碳化硅气凝胶基复合相变储热材料，其特征在于，以质量百分比计，由0.7％～15.6％的碳化硅、2.0％～5.0％的碳材料和79.4％～97.3％的相变物质制得。

2.根据权利要求1所述的一种多响应碳化硅气凝胶基复合相变储热材料，其特征在于，所述碳化硅为碳化硅纳米线气凝胶。

3.根据权利要求1所述的一种多响应碳化硅气凝胶基复合相变储热材料，其特征在于，所述相变物质为硬脂酸、石蜡、硝酸钾、硝酸钠、氯化锂和氟化锂中的一种或几种。

4.权利要求1～3中任意一项所述的一种多响应碳化硅气凝胶基复合相变储热材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种多响应碳化硅气凝胶基复合相变储热材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，碳源为甲烷，载气为氢气。

6.根据权利要求4所述的一种多响应碳化硅气凝胶基复合相变储热材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，化学气相沉积的沉积温度为940～1320℃。

7.根据权利要求4所述的一种多响应碳化硅气凝胶基复合相变储热材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，化学气相沉积的沉积时间为1～5小时。

8.根据权利要求4所述的一种多响应碳化硅气凝胶基复合相变储热材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中，加热温度为85～105℃。

9.根据权利要求4所述的一种多响应碳化硅气凝胶基复合相变储热材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中，真空浸渍反应的真空度为-0.5～-0.8mpa，真空反应时间为5-60分钟。

10.权利要求1～3中任意一项所述的多响应碳化硅气凝胶基复合相变储热材料作为储热材料中的应用。

技术总结
本发明公开了一种多响应碳化硅气凝胶基复合相变储热材料及其制备方法和应用，属于材料工程技术领域。该多响应碳化硅气凝胶基复合相变储热材料由质量百分比为79.4％～97.3％的相变物质、0.7％～15.6％的碳化硅和2.0％‑5.0％的碳材料制成；其中碳材料通过化学气相沉积包覆在碳化硅纳米线上，相变物质在加热条件下通过真空浸渍进入碳化硅纳米线气凝胶孔隙。制得的多响应碳化硅气凝胶基复合相变储热材料对热、光、电、电磁波均具有响应特性，可储存热能，或将光能、电能、电磁能转化为热能储存；其储热容量为所填充相变物质理论潜热的78.5％～97.1％，其光能储热过程能量转化效率不低于82.0％，电能储热过程能量转化效率不低于90.0％，电磁储热过程能量转化效率不低于71.0％。

技术研发人员：彭康,王红洁,叶婧盈,蔡志新,徐亮,苏磊,牛敏,庄磊
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12