[发明专利]三维石墨烯/相变储能复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯复合材料的制备技术领域，具体涉及一种三维石墨烯/相变储能复合材料及其制备方法。

背景技术

在热能的存储和利用过程中，常常存在供求之间在时间上和空间上不匹配的矛盾，如太阳能的间歇性、电力负荷的峰谷差、周期性工作的大功率电子器件的散热和工业余热利用等。相变储能材料通过材料发生相变时吸收或释放大量热量，实现能量的储存和利用，可有效解决能量供求在时间和空间上不匹配的矛盾。因此，相变储能技术被广泛应用于具有间断性或不稳定性的热管理领域，如航空航天大功率组件的热管理、周期性间歇式工作电子器件的散热、太阳能利用、电力的“移峰填谷”、工业废热余热的回收利用、民用建筑采暖及空调的节能等领域。近年来，相变储能技术成为能源科学和材料科学领域中一个十分活跃的前沿研究方向。

相变储能材料具有储能密度大，储能释能过程近似恒温的优点。但多数相变储热材料存在热导率低，换热性能差等缺点。采用具有高导热、低密度、耐腐蚀和化学稳定性好等优点的炭材料对其进行强化传热，可有效提高系统换热效率。常用的固-液定形相变储能材料实际上是一类复合相变材料，主要是由两种成分组成：一是工作物质；二是载体基质。工作物质利用它的固-液相变进行储能，工作物质可以是各种固-液相变材料，如石蜡、硬脂酸、水合盐、无机盐和金属及其合金材料等。载体基质主要是用来保持相变材料的不流动性和可加工性，并对其进行强化传热。

石墨烯(graphene)是一种新型炭材料，它具有由单层碳原子紧密堆积而成的二维蜂窝状晶体结构，它是构建其它维度碳质材料(如零维富勒烯、一维碳纳米管、三维石墨)的基本单元。石墨烯本身具有非常高的导热系数，热导率可达5000Wm^-1K^-1，并兼具密度小、热膨胀系数低和耐腐蚀等优点，有望成为一种理想散热材料。将石墨烯作为强化传热载体，有可能克服单一相变材料热导率低的缺点，缩短复合体系热响应时间，提高换热效率，实现复合材料传热和储热一体化。

可以采用兼具平面和曲面结构特点的泡沫金属作为生长基体，利用CVD方法制备出具有三维连通网络结构的泡沫状石墨烯材料。通过该方法制备的石墨烯材料完整地复制了泡沫金属的结构，石墨烯以无缝连接的方式构成一个全连通的整体，具有优异的电荷传导能力、巨大的比表面积、孔隙率和极低密度。并且，这种方法可控性好，易于放大，通过改变工艺条件可以调控石墨烯的平均层数、石墨烯网络的比表面积、密度和导电性。

以金属模板CVD法制备的三维石墨烯泡沫具有丰富的孔结构特征，其比表面积高，孔壁孔腔高度连通，为基体材料提供可复合填充的空间。若将三维多孔石墨烯与相变材料复合，相变储能材料被分隔在各个孔腔，与石墨烯壁紧密结合，有效热接触面积大幅度提高，高度联通的石墨烯三维导热网络通道将快速实现系统换热。另一方面，多孔石墨烯的毛细吸附力将液态相变储能材料局域化，可有效防止渗流。

随着电子器件集成化的迅猛发展，热管理成为限制大功率器件应用的瓶颈。研制综合性能良好、制造成本相对低廉的热管理材料，是延长大功率电子器件使用寿命的关键技术之一。目前大功率电子器件的散热主要采用加铝散热鳍片、导热塑料壳、表面辐射散热处理、风扇和导热管等方法，但现有的散热器效果并不理想。

另外，目前基于氧化铝、氧化镁、石墨等的高导热性能，通常将氧化铝、氧化镁、石墨等作为导热添加剂均匀分散于散热材料中，通过提高放热材料自身导热化率，来达到提高器件的散热性的目的。此类方法虽然能提高器件的散热性，但是随着器件的散热性要求的提高，也增加了导热添加剂的加入量。

发明内容

本发明的目的是提供一种电子器件热管理用的三维石墨烯/相变储能复合材料，以解决现有技术中存在的相变储能材料热导率低的问题。本发明的这种复合材料具有优良的导热性和耐腐蚀性，能够快速实现热交换。

在此，本发明提供一种电子器件散热用的导热三维石墨烯/相变储能复合材料，其特征在于石墨烯与相变储能材料原位复合，其中以具有三维结构的多孔石墨烯作为导热体和复合模板，以固-液相变的有机材料作为储能材料和填充剂。

本发明提供的三维石墨烯/相变储能复合材料能够实现传热和储热一体化。本发明使具有吸热和放热作用的相变储能材料与三维石墨烯结合，利用三维石墨烯的高导热系数及多孔性结构使相变储能体系的热导率成几倍地得到提高。

本发明的储能材料可以选择与石墨烯具有良好浸润性的有机储能材料，例如可以是硬脂酸、月桂酸或石蜡。