本發(fā)明屬于相變材料
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種高導(dǎo)熱定形相變復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
：以純電動汽車為代表的新能源汽車逐漸擺脫對化石燃料的依賴，成為汽車發(fā)展的主流方向。電動汽車的動力主要源自動力電池，鋰離子動力電池由于其在比能量、比功率、使用壽命及工作電壓等方面的優(yōu)勢，已經(jīng)占領(lǐng)動力電池的主要市場。鋰離子電池只有在合適的溫度下工作才能保證其良好的充放電效率、可靠性及壽命，需要合理有效的熱管理系統(tǒng)來保證動力電池處于合適的溫度范圍。目前動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)主要有空氣冷卻技術(shù)、液體冷卻技術(shù)和相變冷卻技術(shù)。相變材料通過在物相轉(zhuǎn)變(固-液)過程中釋放或吸收熱量來實(shí)現(xiàn)溫控目的，與空氣冷卻、液相冷卻等熱控手段相比，相變技術(shù)無需額外能源且控溫精度高，相變材料的相變潛熱及導(dǎo)熱能力是主要研究方向。以美國allcell公司為例，其將相變材料加工成緊密排列的蜂窩狀，將圓柱形動力電池置于孔內(nèi)，由定形相變材料在動力熱管理過程中發(fā)揮吸熱、散熱的功能。相變材料本身導(dǎo)熱能力較差，需要通過與導(dǎo)熱填料的復(fù)合來提高其導(dǎo)熱性能；另外相變材料本身定形能力及力學(xué)性能較差，需要一定的支撐材料來達(dá)到成型目的。中國專利cn1269932c將石蠟與交聯(lián)高密度聚乙烯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物在130-200℃下熔融共混后，加入模具成型，相變潛熱可達(dá)189.5j/g。中國專利cn105778869a將相變物質(zhì)高于其熔點(diǎn)40℃以上與交聯(lián)eva樹脂進(jìn)行熔融共混、擠出、造粒，相變潛熱可達(dá)120-160j/g。中國專利cn101397489b將石蠟、金屬粉、阻燃劑、hdpe熔融共混后擠出造粒得到阻燃定形相變復(fù)合材料。patriksobolciak等人(renewableenergy88(2016)372-382)將低密度聚乙烯、膨脹石墨、石蠟高溫下于螺桿擠出機(jī)中共混得到相變復(fù)材，當(dāng)石蠟含量為40％、膨脹石墨為15％時，復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)為1.329w/m·k，相變潛熱為41j/g。m.e.sotomayor等人(renewableenergy68(2014)140-145)將高密度聚乙烯及石蠟共混，當(dāng)hdpe含量為70％時，復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度為15mpa。鑒于以往定形相變材料的應(yīng)用領(lǐng)域，研究較多的為提高定形相變材料的潛熱及導(dǎo)熱性能。而定形相變材料作為動力電池等熱管理領(lǐng)域最有潛力的材料，對其力學(xué)性能的研究往往集中于拉伸強(qiáng)度，而對實(shí)際應(yīng)用過程中所需的抗壓等力學(xué)性能的研究則少有報(bào)道。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是提供一種導(dǎo)熱性能好，力學(xué)性能高及相變潛熱高的高導(dǎo)熱定形相變復(fù)合材料及其制備方法。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：提高相變材料的結(jié)構(gòu)特性有兩種途徑：相變材料中引入樹脂及相變材料本體增強(qiáng)。需要開發(fā)一種能夠在復(fù)合材料本體中進(jìn)行本體增強(qiáng)的工藝，不犧牲導(dǎo)熱性能、相變潛熱的前提下提高力學(xué)性能。解決這個問題的方向是從結(jié)構(gòu)-功能一體化設(shè)計(jì)角度出發(fā)，設(shè)計(jì)一種新型的定形相變復(fù)合材料，導(dǎo)熱增強(qiáng)體、相變材料、力學(xué)增強(qiáng)體以互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式存在，各功能、結(jié)構(gòu)體能夠最大限度的發(fā)揮作用。具體設(shè)計(jì)思路為，將炭材料前驅(qū)體以浸滲的方式加入膨脹石墨預(yù)制體中，經(jīng)過熱處理之后形成力學(xué)性能良好的多孔炭材料/膨脹石墨復(fù)合體，處理溫度較高的炭材料甚至可以作為導(dǎo)熱增強(qiáng)體；最后通過液相浸滲的方式將相變材料吸附于多孔炭材料與膨脹石墨的孔隙中，得到高導(dǎo)熱定形相變復(fù)合材料。由此得到的高導(dǎo)熱定形相變復(fù)合材料，可以通過調(diào)節(jié)膨脹石墨預(yù)制體密度來調(diào)節(jié)基體導(dǎo)熱性能，通過分別調(diào)節(jié)炭材料前驅(qū)體的浸滲次數(shù)及熱處理溫度來調(diào)節(jié)力學(xué)性能、導(dǎo)熱增強(qiáng)性能。通過膨脹石墨、炭材料前驅(qū)體、相變材料三種材料的搭配，最大程度發(fā)揮各自的功能、結(jié)構(gòu)性能。本發(fā)明的高導(dǎo)熱定形相變復(fù)合材料，組成如下：膨脹石墨(吸附定形劑)：6.7-54.0wt.％多孔炭材料(力學(xué)增強(qiáng)體)：5.3-38.6wt.％有機(jī)相變物質(zhì)(相變材料)：28.4-81.9wt.％所述的膨脹石墨的膨脹倍數(shù)為100-500ml/g。所述的多孔炭材料是由炭材料前驅(qū)體熱處理得到；炭材料前驅(qū)體為煤瀝青、石油瀝青、合成瀝青、中間相瀝青、煤焦油、乙烯焦油、煤直接液化殘?jiān)?、煤間接液化殘?jiān)鹊囊环N或幾種。所述的有機(jī)相變物質(zhì)為石蠟、脂肪酸類、多元醇類、聚烯醇類等有機(jī)相變材料中的一種或者幾種；本發(fā)明高導(dǎo)熱定形相變復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：(1)將膨脹石墨模壓成密度為0.08-0.80g/cm3的膨脹石墨預(yù)制體；(2)采用液相浸滲法將炭材料前驅(qū)體吸附于膨脹石墨預(yù)制體的孔隙中，得到膨脹石墨/炭材料前驅(qū)體復(fù)合材料；(3)將膨脹石墨/炭材料前驅(qū)體復(fù)合材料以3-10℃/min速率升溫至700-3000℃，保溫30-60min，得到膨脹石墨/多孔炭材料復(fù)合物；(4)采用真空浸滲法，將有機(jī)相變物質(zhì)在-0.09mpa的真空條件下浸滲1.0-3.0h，浸入膨脹石墨/多孔炭材料復(fù)合物的孔隙中，冷卻后得到高導(dǎo)熱定形相變復(fù)合材料。如上所述步驟(2)液相浸滲法為先在-0.09mpa下真空浸滲40-100min，之后在0.5-1.5mpa加壓浸滲45-90min。如上所述的步驟(4)浸滲時間最好為0.5-2.5小時。本發(fā)明還可以根據(jù)需要重復(fù)步驟(2)或/和(3)，達(dá)到對最終產(chǎn)品力學(xué)增強(qiáng)、導(dǎo)熱增強(qiáng)的目的。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)1.利用本體增強(qiáng)的方式在復(fù)合材料中引入力學(xué)增強(qiáng)體，將膨脹石墨與多孔炭材料結(jié)合起來，形成兩相互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不破壞導(dǎo)熱通道的同時，增強(qiáng)了力學(xué)性能，同時對導(dǎo)熱性能也有一定的增強(qiáng)效果；2.常溫下，定形相變材料的力學(xué)性能主要由炭材料及相變材料為主、吸附相變材料的膨脹石墨為輔；相變溫度附近的力學(xué)性能則以炭材料提供為主、膨脹石墨為輔；3.高溫?zé)崽幚砗蟮奶坎牧蠈?dǎo)熱性能比較高，也可以通過把握炭材料前驅(qū)體熱處理溫度來調(diào)節(jié)定形相變材料力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能；4.由本技術(shù)得到的定形相變材料具有良好的抗壓性能(7.31-10.05mpa)、導(dǎo)熱性能(7.69-13.26w/m·k)、相變潛熱(133.5-169.8j/g)。而一般的相變復(fù)合材料往往會顧此失彼，追求較高的相變潛熱的同時犧牲了導(dǎo)熱性能，提高導(dǎo)熱性能的同時會犧牲了力學(xué)性能和相變潛熱。具體實(shí)施方式下面具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但不構(gòu)成對本發(fā)明的任何限制實(shí)施例1選取密度為1.13g/cm3的煤焦油為炭材料前驅(qū)體：(1)將膨脹倍數(shù)為150ml/g的膨脹石墨模壓成密度為0.10g/cm3的膨脹石墨預(yù)制體；(2)將膨脹石墨預(yù)制體浸入煤焦油中，-0.09mpa下真空浸滲60min、0.8mpa下加壓浸滲60min后取出；(3)以3℃/min升溫速率至1000℃，將吸附有煤焦油的膨脹石墨于此溫度下炭化30min，得到膨脹石墨/多孔炭材料復(fù)合物；(4)采用真空浸滲法，將膨脹石墨/多孔炭材料復(fù)合物-0.09mpa下浸入熔點(diǎn)為51.4℃的石蠟中，真空浸滲1.5h得到高導(dǎo)熱定形相變材料。膨脹石墨：多孔炭材料：相變材料為8.7％：22％：69.3％其性能列于表1中。實(shí)施例2選取密度為1.13g/cm3的煤焦油為炭材料前驅(qū)體：(1)將膨脹倍數(shù)為150ml/g的膨脹石墨模壓成密度為0.15g/cm3的膨脹石墨預(yù)制體；(2)將膨脹石墨預(yù)制體浸入煤焦油中，-0.09mpa下真空浸滲75min、1.2mpa下浸滲60min取出；(3)以3℃/min升溫至800℃，10℃/min升溫至2500℃下，將吸附有煤焦油的膨脹石墨于此溫度下熱處理30min，得到膨脹石墨/多孔炭材料復(fù)合物；(4)采用真空浸滲法，將膨脹石墨/多孔炭材料復(fù)合物-0.09mpa下浸入熔點(diǎn)為51.4℃的石蠟中，真空浸滲2h得到高導(dǎo)熱定形相變材料。膨脹石墨：多孔炭材料：相變材料為12.1％：33.4％：54.5％，其性能列于表1中。實(shí)施例3選取密度為1.21g/cm3的中間相煤瀝青為炭材料前驅(qū)體：(1)將膨脹倍數(shù)為150ml/g的膨脹石墨模壓成密度為0.16g/cm3的膨脹石墨預(yù)制體；(2)將中間相煤瀝青置于喹啉中抽提3.5h得到中間相煤瀝青喹啉可溶物溶液后，將膨脹石墨預(yù)制體浸入中間相煤瀝青喹啉可溶物溶液中，-0.09mpa下真空浸滲60min、0.9mpa加壓浸滲60min后取出；(3)以2℃/min升溫速率至650℃、5℃/min至2000℃，將吸附有煤焦油的膨脹石墨于此溫度熱處理30min，得到膨脹石墨/多孔炭材料復(fù)合物；(4)采用真空浸滲法，將膨脹石墨/多孔炭材料復(fù)合物-0.09mpa下浸入熔點(diǎn)為39℃的石蠟中，真空浸滲2.5h得到高導(dǎo)熱定形相變材料。膨脹石墨：多孔炭材料：相變材料為14.8％：8.6％：76.6％其性能列于表1中。實(shí)施例4選取密度為1.06g/cm3的乙烯焦油為炭材料前驅(qū)體：(1)將膨脹倍數(shù)為150ml/g的膨脹石墨模壓成密度為0.12g/cm3的膨脹石墨預(yù)制體；(2)將壓縮膨脹石墨浸入乙烯焦油液體中，-0.09mpa下真空浸滲60min、0.8mpa加壓浸滲60min后取出；(3)以5℃/min升溫速率至750℃，將吸附有乙烯焦油的膨脹石墨于此溫度下熱處理30min，得到膨脹石墨/多孔炭材料復(fù)合物；(4)將膨脹石墨/多孔炭材料復(fù)合物再次浸入乙烯焦油液體中，-0.09mpa下真空浸滲60min、1.0mpa加壓浸滲75min后取出；(5)將步驟(4)得到的產(chǎn)物以5℃/min至750℃，10℃/min至2000℃熱處理30min，得到二次浸滲膨脹石墨/多孔炭材料復(fù)合物；(6)將采用真空浸滲法，將二次浸滲膨脹石墨/多孔炭材料復(fù)合物-0.09mpa下浸入熔點(diǎn)為39℃的熔融石蠟中，真空浸滲2.5h得到高導(dǎo)熱定形相變材料。膨脹石墨：多孔炭材料：相變材料為14.8％：12.3％：72.9％，其性能列于表1中。實(shí)施例5選取軟化點(diǎn)為265℃的中間相瀝青為炭材料前驅(qū)體：(1)將膨脹倍數(shù)為500ml/g的膨脹石墨模壓成密度為0.06g/cm3的膨脹石墨預(yù)制體；(2)將中間相瀝青升溫至340℃熔融，將壓縮膨脹石墨浸入，-0.09mpa下真空浸滲60min，1.5mpa下浸滲60min；(3)以5℃/min升溫速率至650℃，10℃/min升溫速率至2800℃，將吸附有中間相瀝青的膨脹石墨于此溫度下熱處理30min，得到膨脹石墨/多孔炭材料復(fù)合物；(4)將采用真空浸滲法，將二次浸滲膨脹石墨/多孔炭材料復(fù)合物-0.09mpa下浸入熔點(diǎn)為39℃的熔融石蠟中，真空浸滲2.0h得到高導(dǎo)熱定形相變材料。膨脹石墨：多孔炭材料：相變材料為6.9％：13.6％：79.5％，其性能列于表1中。表1高導(dǎo)熱定形相變材料基本性能導(dǎo)熱系數(shù)/w/m·k相變潛熱/j/g抗壓強(qiáng)度/mpa實(shí)施例17.69169.810.05實(shí)施例212.0133.57.42實(shí)施例310.78167.98.32實(shí)施例412.32150.37.31實(shí)施例513.26156.49.26由表1可以發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的高導(dǎo)熱定形相變材料的導(dǎo)熱性能比傳統(tǒng)的個位數(shù)的導(dǎo)熱性能高很多，能夠高效將電池產(chǎn)生的熱量傳遞給相變材料且均溫效果很好，同時其抗壓強(qiáng)度足以支撐動力電池在行駛、顛簸過程所產(chǎn)生的壓力，相變潛熱也足以吸收動力電池在快速充放電過程所產(chǎn)生的熱量。當(dāng)前第1頁12