一种复合庞压卡材料及其制备方法和压卡制冷技术

本发明涉及用于压卡制冷技术的新材料，具体涉及一系列固液相变材料与多孔材料的复合型压卡制冷材料及其制作方法，属于压卡制冷。

背景技术：

1、制冷技术在现代社会得到广泛应用，涵盖食品储藏、空调、工业制造、医疗等领域。绝大多数冷却设备依赖于传统气体压缩制冷技术。然而目前广泛使用的制冷剂，例如氢氟碳化合物和氢氯氟碳化合物等都具有强温室效应。因此，开发清洁环保的冷却技术迫在眉睫。近几十年来，基于热卡效应(caloric effect)的冷却技术引起了极大的关注。与目前蒸汽压缩循环中使用的商业制冷剂不同，热量材料对环境的影响很小。压卡效应(barocaloric effect，简称bc)作为新兴热卡效应，与目前的蒸汽压缩制冷技术原理相同，可以实现压力与热量的转化，已经吸引许多关注。

2、石蜡作为一类高级脂肪烃类相变材料，其化学式为cnh2n+2。当n从11增加到40时，其相变温度范围可以从约247k到约356k，为bc应用提供了一个广阔的温度窗口。石蜡具有高循环稳定性、自成核以避免过冷、无腐蚀性、长期化学稳定性和合理的成本等优点。在压热效应测试中，只需要约100mpa的低压就能完全驱动约700j kg-1k-1的等温熵变，远超现有的基于固固相变的压卡材料。通过直接测量，在100mpa下，实现了约18k的高绝热温度变化。石蜡在热卡冷却应用中具有广阔的前景。但是，在专利cn112940687a中采用单一石蜡作为压卡材料，忽略其低热导率和液相泄露问题，不利于制冷应用。

技术实现思路

1、针对目前基于固液相变的压卡材料在制冷过程中有泄露与低热导率的问题，本发明提出采用具有多孔骨架的多种碳材料封装固液相变材料(例如石蜡)，制备复合型压卡材料，提高固液相变材料的形状稳定性，防止液相泄露，使其可以像其他固体化合物一样作为压卡冷却工质。同时，合适的封装材料可以有效调节压卡材料的传热效率，提高热导率，解决大部分压卡材料所面临的低热导率的问题。

2、在本发明的第一方面，提供了一种复合庞压卡材料，包括多孔碳材料和封装在多孔碳材料中的固液相变材料，其中，所述多孔碳材料可选自不同类型的高热导多孔碳材料，例如石墨烯泡沫(gf)、碳泡沫(cf)、碳纳米管泡沫(cnt)等，使复合庞压卡材料在具有超大压卡效应的基础上获得不低于0.5w m-1k-1的热导率；所述固液相变材料选自包括室温在内的宽温度区间相变温度范围的固液相变材料，例如石蜡、高级醇、高级胺等有机固液相变材料，通过真空浸渍的方式被多孔碳材料充分吸收。

3、石蜡的化学式为cnh2n+2，当n从11增加到40时，其相变温度范围可以从约247k到约356k；在约100mpa的压力下，压卡效应可达500j kg-1k-1及以上。

4、所述高级醇选取碳原子数目在10到16的高级醇，其相变温度范围为260至320k，并且相变焓很高，为100-300j g-1，在100mpa下，压卡效应可达102数量级。

5、所述高级胺选取碳原子数目在10到16的高级胺，其相变温度范围为290至310k，相变焓为100-300j g-1，在100mpa下，压卡效应可达102数量级。

6、优选的，用于本发明复合庞压卡材料的固液相变材料可选自石蜡、高级醇和高级胺中的一种或多种，其中，所述石蜡包括正十四烷、正十六烷、正十八烷、正二十烷、正二十二烷等中的一种或多种；所述高级醇包括癸醇、十二醇、十四醇、十六醇中的一种或多种；所述高级胺包括癸胺、十二胺、十四胺、十六胺中的一种或多种。

7、在本发明的第二方面，提供了上述复合庞压卡材料的制备方法，包括：

8、1.选择一种或多种不同碳原子数目的固液相变材料进行升温熔化，得到熔融的固液相变材料；

9、2.将高热导多孔碳材料置于熔融的固液相变材料中进行真空浸渍，使多孔碳材料充分吸收固液相变材料；

10、3.浸渍结束后除去表面附着的多余固液相变材料，得到所述的复合庞压卡材料。

11、上述步骤2将多孔碳材料和熔融的固液相变材料充分混匀，然后在真空条件下浸渍3h以上。

12、上述步骤3中，可以通过滤纸吸收多孔碳材料表面附着的多余固液相变材料。

13、在本发明的第三方面，提供了一种制冷方法，以上述复合庞压卡材料为制冷工质，通过压力驱动熵变实现制冷。

14、总之，本发明所提供的以固液相变材料和多孔碳材料所制备的复合庞压卡材料，压卡效应巨大，且具有覆盖室温的宽温度工作区间，通过封装，一方面，解决了石蜡等固液相变材料在压力循环下容易发生液相泄露的问题，保证了材料的形状稳定性；另一方面，通过封装材料的选择和优化使得压卡材料的传热效率得到了显著提高，获得超高热导率。该复合庞压卡材料能够在较小的压力下展现出近500j kg-1k-1的熵变，压卡效应巨大，展现了复合庞压卡材料在热卡冷却中的优异表现。这种材料优异的压卡性能、可调的工作温度以及成本低廉的原材料使其适用于多个领域，包括食品储藏、空调、工业制造和医疗设备等。本发明为制冷领域的创新和环保发展提供了新的思路和解决方案。与传统制冷技术相比，本发明通过充分发挥多孔骨架碳材料和固液相变材料高熵变的优势，实现了固液相变材料在压卡冷却中形状稳定性和传热效率的双重提升，所提出的复合庞压卡材料更环保，具有更大的市场潜力，可以在无需任何绝热措施的前提下，实现热量的跨温区、远距离、长时间储存，并可根据不同的用热场景和时机，可控地释放热能。本发明通过提高制冷材料的性能和环保性，为未来制冷技术的发展开辟了新的可能性，具有重要的推动作用。

技术特征：

1.一种复合庞压卡材料，包括多孔碳材料和封装在多孔碳材料中的固液相变材料，其中，所述多孔碳材料为高热导多孔碳材料，使复合庞压卡材料的热导率不低于0.5w m-1k-1；所述固液相变材料通过真空浸渍的方式被多孔碳材料充分吸收。

2.如权利要求1所述的复合庞压卡材料，其特征在于，所述多孔碳材料选自石墨烯泡沫、碳泡沫和碳纳米管泡沫中的一种或多种。

3.如权利要求1所述的复合庞压卡材料，其特征在于，所述固液相变材料选自石蜡、高级醇和高级胺中的一种或多种。

4.如权利要求3所述的复合庞压卡材料，其特征在于，所述石蜡的化学式为cnh2n+2，其中n为11～40的整数；所述高级醇包括碳原子数目为10～16的高级醇；所述高级胺包括碳原子数目为10～16的高级胺。

5.如权利要求4所述的复合庞压卡材料，其特征在于，所述石蜡包括正十四烷、正十六烷、正十八烷、正二十烷、正二十二烷中的一种或多种；所述高级醇包括癸醇、十二醇、十四醇、十六醇中的一种或多种；所述高级胺包括癸胺、十二胺、十四胺、十六胺中的一种或多种。

6.权利要求1～5任一所述复合庞压卡材料的制备方法，包括以下步骤：

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤2)使多孔碳材料和熔融的固液相变材料充分混匀，然后在真空条件下浸渍3h以上。

8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤3)用滤纸吸去多孔碳材料表面附着的多余的固液相变材料。

9.权利要求1～5任一所述复合庞压卡材料作为压卡冷却工质的用途。

10.一种制冷方法，其特征在于，以权利要求1～5任一所述的复合庞压卡材料为制冷工质，通过压力驱动熵变实现制冷。

技术总结
本发明公开了一种复合庞压卡材料及其制备方法和压卡制冷技术。该复合庞压卡材料包括多孔碳材料和封装在多孔碳材料中的固液相变材料，其中，多孔碳材料选自石墨烯泡沫、碳泡沫、碳纳米管泡沫等不同类型的高热导多孔碳材料；固液相变材料选自石蜡、高级醇、高级胺等包括室温在内的相变温度范围的固液相变材料，通过真空浸渍的方式被多孔碳材料充分吸收。本发明在利用固液相变材料超大压卡效应的同时解决了其在压力循环下的液相泄露问题，保证了材料的形状稳定性，使其可作为压卡冷却工质；通过合适的封装材料有效调节压卡材料的传热效率，提高热导率。该复合庞压卡材料性能优异、工作温度可调、成本低廉，适用于多个领域，推动了制冷技术发展。

技术研发人员：双佳翼,王永刚
受保护的技术使用者：北京大学
技术研发日：
技术公布日：2024/6/30