多功能复合相变材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种多功能复合相变材料及其制备方法和应用。多功能复合相变材料由石墨烯泡沫，MXene气凝胶和相变材料复合而成；MXene气凝胶是耦合在GF泡沫孔径内的片层取向结构，相变材料封装在多功能复合材料中，形成GF泡沫

【技术实现步骤摘要】
多功能复合相变材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及相变复合材料的
，尤其是涉及一种多功能复合相变材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]在绿色清洁能源的背景下，热能存储(TES)被认为是提高节能效率的一种重要能源技术。相变储能是利用相变材料(PCM)在相变过程中大量吸热或放热的特性来实现能量的存储与释放，其在间断性或不稳定性的热能管理领域具有巨大应用前景，如周期式间歇性太阳能利用、大功率电子器件/电池热管理、以及工业余热回收利用等。有机PCM(如石蜡、聚乙二醇、脂肪酸等)凭借储能密度高、体积变化小、化学性质稳定、不易出现过冷和相分离、无毒无腐蚀性以及成本低等优点受到了极大的关注。然而，有机PCM存在固
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液相转变过程中熔融泄露和固有热导率低(普遍介于0.15
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0.5W m
‑1K
‑1)的长期瓶颈，导致PCM的储热效率大幅度降低，严重制约了其在能量存储及热管理领域的应用。针对PCM存在的上述问题，研究人员采用多孔材料(Min Zhao,Yan Ye,Rui Yang.Absorption
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polymerization method for synthesizing phase change composites with high enthalpy and thermal conductivity for efficient thermal energy storage[J].Solar Energy Materials and Solar Cells,248(2022)112027)或者支撑材料(Yi
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Cun Zhou,Jie Yang,Lu Bai,Rui
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Ying Bao,Ming
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Bo Yang,Wei Yang.Super
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flexible phase change materials with a dual
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supporting effect for solar thermoelectric conversion in the ocean environment[J].Journal of Materials Chemistry A,11(2023)341
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351)对相变材料进行封装以防止熔融泄漏；采用碳材料(金刚石、碳纳米管、石墨烯等)或者金属及其氧化物(银、铜、氧化铝等)强化传热过程，提高相变材料的导热性能。然而为使PCM的形状稳定性和热导率达到令人满意的效果，现有技术需要依靠导热填料的高负载来实现，这势必会大幅度降低PCM在复合材料中的占比，从而导致整个体系储能密度的下降。寻求高导热与高储能密度的平衡，同时赋予形状稳定性是PCM研究亟待解决的关键难题。此外，现有技术制备的相变复合材料功能性单一，对于小型化和高度集成化的电子设备热管理，还需考虑电磁屏蔽(EMI)性能。一方面，高频电磁辐射不仅会降低设备的操作精度、导致设备故障，而且会威胁操作者的身体健康。另一方面，PCM的电磁屏蔽性能与高效热管理密切相关，电磁屏蔽会将大部分电磁辐射直接转化为热量并最终引发PCM相变过程。因此，在保障PCM高储能密度的前提下，同步提升其电磁屏蔽性能和热管理能力具有重要意义。
[0003]研究者提出，在相变复合材料内部构筑三维互连的导热骨架有望在提高相变复合材料热导率的同时维持高储能密度。专利CN 112852386 A公开了一种通过水热还原法制备的石墨烯气凝胶相变复合材料，然而高温高压下由氧化石墨烯自组装制备的石墨烯气凝胶的物理交联主要基于范德华力、氢键和π
‑
π相互作用，二维石墨烯纳米片间仍然存在界面热阻。因而其制备的石墨烯气凝胶相变复合材料的热导率仅提升至0.727W m
‑1K
‑1，性能远远达不到高标准使用要求(＞10W m
‑1K
‑1)。与自组装法制备的石墨烯气凝胶(GA)相比，由化学
气相沉积生长的石墨烯泡沫(GF)能够更有效地提升复合PCM的热导率。这是因为GF的交联主要基于共价键结合，能够形成高品质的三维互连石墨烯骨架，为声子传输提供了连续的路径。然而GF的孔径高达几百微米，这是由镍(Ni)泡沫催化剂骨架所决定的，导致复合PCM的形状稳定性差、电磁屏蔽效能不理想、以及热导率提升有限。
[0004]因此，开发新技术在GF的大孔径内部构建密集的次级导热网络可作为一种有效策略，改善复合PCM的形状稳定性，并进一步增强其热导率和电磁屏蔽效能是目前需要解决的问题。

技术实现思路

[0005]根据现有技术的问题，本专利技术提供了一种GF泡沫
‑
MXene(二维材料)气凝胶双网络协同支撑的多功能复合相变材料及其制备方法、应用，该多功能复合相变材料能够同时兼具高面外热导率和高储能密度，同时表现出优异的电磁屏蔽性能及出色的形状稳定性。克服了传统有机相变材料易泄漏、热导率低、功能性单一，并且高热导率与高储能密度通常无法兼顾的难题。多功能复合相变材料在较低填料含量下(9.06
‑
13.78wt％)，面外热导率高达6.72
‑
11.39W m
‑1K
‑1，X波段电磁屏蔽效能在3.0mm厚度下高达42.9
‑
55.6dB，并且具有160.3
‑
166.9J g
‑1的高储能密度以及优异的防泄漏能力。
[0006]本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种多功能复合相变材料；所述多功能复合相变材料由石墨烯泡沫(GF泡沫)，MXene气凝胶和相变材料复合而成；MXene气凝胶是耦合在GF泡沫孔径内的片层取向结构，相变材料封装在多功能复合材料中，形成GF泡沫
‑
MXene气凝胶双网络协同支撑的多功能复合相变材料。
[0008]所述的多功能复合相变材料的多功能复合相变材料的热导率达到6.72
‑
11.39W m
‑1K
‑1；电磁屏蔽效能达到42.9
‑
56.6dB，储能密度达到160.3
‑
166.9J g
‑1。
[0009]本专利技术的多功能复合相变材料的制备方法；包括如下步骤：
[0010]1)：通过化学气相沉积在泡沫镍模板上沉积石墨烯泡沫，然后浸入盐酸中刻蚀掉泡沫镍，得到自支撑的GF泡沫；
[0011]2)：采用氟化锂和盐酸刻蚀钛碳化铝，制备单层或少层MXene；
[0012]3)：将MXene和粘结剂分散于去离子水中得到水性浆料液，然后将GF浸入浆料液中，抽真空以实现完全浸渍；
[0013]4)：将GF及浆料液转移至单向冷冻模具中进行定向冷冻，冷冻干燥后得到GF泡沫
‑
MXene气凝胶双网络骨架，其中MXene气凝胶是耦合在GF泡沫孔径内所形成的片层竖直取向结构；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多功能复合相变材料；其特征是，所述多功能复合相变材料由石墨烯泡沫(GF泡沫)，MXene气凝胶和相变材料复合而成；MXene气凝胶是耦合在GF泡沫孔径内的片层取向结构，相变材料封装在多功能复合材料中，形成GF泡沫
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MXene气凝胶双网络协同支撑的多功能复合相变材料。2.如权利要求1所述的多功能复合相变材料；其特征是，多功能复合相变材料的热导率达到6.72
‑
11.39W m
‑1K
‑1；电磁屏蔽效能达到42.9
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56.6dB，储能密度达到160.3
‑
166.9J g
‑1。3.权利要求1的多功能复合相变材料的制备方法；其特征是，包括如下步骤：1)：通过化学气相沉积在泡沫镍模板上沉积石墨烯泡沫，然后浸入盐酸中刻蚀掉泡沫镍，得到自支撑的GF泡沫；2)：采用氟化锂和盐酸刻蚀钛碳化铝，制备单层或少层MXene；3)：将MXene和粘结剂分散于去离子水中得到水性浆料液，然后将GF浸入浆料液中，抽真空以实现完全浸渍；4)：将GF及浆料液转移至单向冷冻模具中进行定向冷冻，冷冻干燥后得到GF泡沫
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MXene气凝胶双网络骨架，其中MXene气凝胶是耦合在GF泡沫孔径内所形成的片层竖直取向结构；5)：将所述GF泡沫
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MXene气凝胶双网络骨架在保护气体保护下进行高温热处理；6)：将进行高温热处理的GF泡沫
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MXene气凝胶双网络骨架通过真空浸渍法与相变材料复合。4.如权利要求3所述的方法，其特征是，步骤1)中所述化学气相沉积的气体为甲烷，温度为80...

【专利技术属性】
技术研发人员：李保安，胡泊洋，郭红，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：