[发明专利]一种纳米粒子芯材掺杂型金属相变微胶囊及其制备方法

说明书

本发明公开了一种纳米粒子芯材掺杂型金属相变微胶囊，其以金属微粒为芯材，芯材中掺杂有纳米粒子且外包覆有多孔无机壁材层，芯材和多孔无机壁材层之间具有热胀空腔；其中，热胀空腔和多孔无机壁材层通过包覆于芯材外的有机杂化层和无机层进行热处理且有机杂化层中的有机物分解成气体从无机层逸出后得到；同时，掺杂在有机杂化层中的纳米粒子在有机物分解时地掺杂进入金属芯材，得到纳米粒子掺杂的芯材。本发明的金属相变微胶囊，解决了金属微胶囊过冷度大导致储存的潜热释放延迟、储存与释放热温度不匹配、热能利用效率降低等问题，且为金属熔体提供了热胀空间，大幅度提高其热循环性能，可广泛应用于新能源利用，废热回收，节能减排等领域。

技术领域

本发明涉及金属相变微胶囊材料的技术领域，尤其涉及一种纳米粒子芯材掺杂型金属相变微胶囊及其制备方法。

背景技术

近年来，随着能源短缺问题的不断突显、新能源技术的应用以及节能减排的需要，能量储存问题受到了国内外学者的广泛关注。新能源技术受制于天气季节等因素，由于工况不稳定，这部分能源难以直接利用而造成资源的浪费；钢铁、化工行业及船舶柴油机废气存在大量余热，这部分热量难以直接利用而直接排放，因此采用高效储热介质回收这些能源/热量具有很好的应用前景。相变材料在熔化和凝固过程中可以吸收和释放大量的潜热。基于相变材料的储热技术能够有效解决太阳能间歇性、波动性问题。同时能够回收船舶废气中的热量以及工业废热。对于新能源利用，废热回收，节能减排具有重要意义。

金属作为相变材料具有蓄热温度范围大、单位体积储热密度高、导热系数高等优点。为了避免实际应用中的泄露，通常在金属微粒表面涂上薄膜，形成具有核壳结构的储能介质，可以改善传热，与周围环境隔离。

目前，国内外关于金属相变微胶囊的研究还处于早期阶段，主要集中在尝试各种方法制备具有良好热循环性能的金属相变微胶囊。通常直接在金属微粒表面直接包覆一层有机/无机层作为壁材或通过化学方法在金属表面构建氧化层作为壁材。通过上述方法直接包覆的金属相变微胶囊的热循环性能差，金属在中高温时热膨胀较大，且固液相变后使其体积进一步增加，直接包覆会由于热胀而导致微胶囊破裂。

本申请人之前申请的中国专利文献CN202011461243.7《一种具有热胀空腔的金属相变微胶囊及其制备方法》，其很好地解决了微胶囊热胀破裂的问题；然而金属相变微胶囊过冷度大是影响其实际应用的另一大难题，但是现阶段国内外对金属微胶囊较大的过冷度关注不够，还未有对金属相变微胶囊过冷调控的报道。相变材料的过冷是指液相在特定压力条件下，液相在低于理论凝固点的温度下不凝固，必须在凝固点以下才能凝固的现象。由于凝固温度的降低和凝固时间的延迟，过冷导致储存的潜热释放延迟，储存与释放温度不匹配，热能利用率的降低。

发明内容

鉴于以上现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种纳米粒子芯材掺杂型金属相变微胶囊及其制备方法，以解决现有金属相变微胶囊过冷度大导致的储放热不匹配及金属热胀导致微胶囊热循环性能差和易破损等问题。基于此，发明人构思并通过深入研究后提出通过“双层包覆，牺牲内层”法，在内层掺杂纳米粒子，热处理后巧妙将纳米粒子掺杂进入金属相变微胶囊芯材中，制备得到具有热胀空腔的纳米粒子芯材掺杂型金属相变储热微胶囊，从源头上可解决金属过冷度大导致的储放热不匹配及金属热胀导致微胶囊热循环性能差和易破损等问题。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

一种纳米粒子芯材掺杂型金属相变微胶囊，所述金属相变微胶囊以金属微粒为芯材，所述芯材中掺杂有纳米粒子且外包覆有多孔无机壁材层，所述芯材和多孔无机壁材层之间具有热胀空腔；其中，所述热胀空腔和多孔无机壁材层通过包覆于芯材外的有机杂化层和无机层进行热处理且所述有机杂化层中的有机物分解成气体从无机层逸出后得到；同时，掺杂在有机杂化层中的纳米粒子在有机物分解时掺杂进入金属芯材，得到纳米粒子掺杂的芯材。

在进一步的技术方案中，所述多孔无机壁材层外还包覆一层致密无机壁材层。