多孔SiC陶瓷/石蠟復合相變材料定型封裝及熱性能研究

徐照蕓，羅團生，馬登杰，海萬秀,何思霖

(1.北方民族大學材料科學與工程學院，銀川 750021；2.粉體材料與特種陶瓷重點實驗室，銀川 750021)

0 引 言

隨著太陽能、風能等可再生新型能源的開發利用，儲熱技術因能夠提高能源利用率及消除發電波動性而成為新能源利用的關鍵技術[1-2]。儲熱技術主要分為顯熱儲熱、潛熱儲熱和熱化學儲熱三種。其中，相變儲熱具有單位體積儲熱密度大、相變過程溫度變化范圍窄、能量轉換過程溫度比較穩定等優點而備受關注[3-5]。石蠟因其儲熱密度高、不易揮發、來源廣泛和無過冷析出等優勢成為低溫(<100 ℃)儲熱中常用的相變材料。石蠟等有機相變儲熱材料在相變過程中存在固-液相變過程，在使用過程中容易發生泄漏，通常需要將其與合適的基體復合才能發揮出高效儲能的優勢。以多孔材料為基體的定形相變材料[6-7]，利用自身具有的毛細管力、表面張力等可以將相變材料限定在基體材料中[8-9]，相變材料在基體中完成能量儲存/釋放過程，在使用中具有優異的形狀穩定性，可以有效防止固-液相變過程中發生泄漏和腐蝕，從而大幅拓寬相變儲熱材料的應用范圍[10-11]。另一方面，石蠟的熱導率只有0.1～0.3 W·(m·K)-1，難以滿足高效率的快速儲熱需求，在復合相變材料中引入高導熱相，如石墨烯、大尺寸石墨片及SiC相等，可以明顯改善復合相變材料的熱導率和熱傳輸效率。Qi等[12]采用真空浸漬法制備了石墨烯泡沫/固體石蠟復合相變材料，其熱導率比純固體石蠟提高了744%。上海交通大學王如竹團隊提出了通過構建大尺寸石墨納米片合成高導熱復合相變材料的新思路，復合材料熱導率可達35 W·(m·K)-1，比一般材料高出2～6倍[13]。Yin等[14]通過化學沉積-真空浸漬法制備了石蠟/膨脹石墨/β-SiC納米線復合相變材料，克服了相變材料易泄漏和低導熱性的缺點，復合相變材料的熱導率為0.75 W·(m·K)-1，是純石蠟(0.23 W·(m·K)-1)的3.26倍，并表現出良好的熱循環穩定性。宿金棟等[15]在SiC 納米纖維上原位生長多孔碳球，獲得高比表面積的多孔載體，并通過物理吸附法制備了多孔碳球/SiC納米纖維/十八醇復合相變材料，復合相變材料的熱導率為0.392～0.411 W·(m·K)-1，與十八醇相比提高了62%～71%。以納米顆粒為高導熱增強相，將其與相變材料直接進行混合來引入高導熱相，由于納米顆粒在相變材料中易團聚，難以在相變材料中均勻分散，因此納米顆粒無法形成連續的傳熱通道。同時，納米顆粒的形狀和尺寸對相變材料的導熱系數也有顯著影響[16]。本文擬采用高導熱SiC相為基體封裝石蠟相變芯材，在解決石蠟易泄漏問題的同時獲得均勻分布的高導熱SiC骨架以提高材料的傳熱效率。另一方面，多孔SiC陶瓷優良的力學性能可大幅拓展相變材料的應用范圍，但目前對多孔SiC陶瓷力學性能與儲熱性能的協同優化研究鮮見報道。

本文以微米級SiC粉為原料，通過冷凍干燥工藝利用冰晶模板誘導自組裝SiC顆粒，獲得具有高氣孔率、高強度、層片狀連貫孔結構的SiC陶瓷。以多孔SiC陶瓷為基體，通過真空浸漬法將石蠟負載到多孔SiC陶瓷中，實現多孔SiC陶瓷/石蠟復合相變材料定型封裝。對材料的力學性能和儲熱性能進行表征和分析，為制備熱導率高、應用性能穩定的儲熱材料提供參考。

1 實 驗

1.1 試劑與材料

SiC超細粉(D50=0.8 μm，上海阿拉丁生化科技股份有限公司)、Al2O3(納米級，上海阿拉丁生化科技股份有限公司)、羧甲基纖維素鈉(天津恒興化學試劑有限公司)、切片石蠟(國藥集團化學試劑有限公司)、無水乙醇(分析純，國藥集團化學試劑有限公司)和去離子水等。

1.2 層片狀多孔SiC陶瓷載體的制備

以微米級SiC為原料，水為溶劑，質量分數為5%的納米級Al2O3為燒結助劑，質量分數為0.3%的羧甲基纖維素鈉為分散劑，配制體積分數分別為35%、40%、45%、50%的SiC漿料(樣品編號分別記為SC1、SC2、SC3、SC4)，用氨水調節漿料pH值為11，加入3～5滴丙三醇作為消泡劑；……