本發(fā)明涉及復合材料領域，具體涉及一種利用石墨烯漿液層流剪切構筑定向熱傳遞路徑的方法以及儲能應用。

背景技術：

1、相變儲能技術是一種利用物質相變過程(如固液相變或液氣相變)來儲存和釋放能量的技術。這種技術的發(fā)展始于20世紀，最初主要應用于太陽能利用和住宅供暖系統(tǒng)的熱存儲。隨著技術的進步，相變儲能材料的應用范圍逐漸擴大，涵蓋了建筑、交通、電子制造等多個領域。其中相變儲能材料有著顯著的優(yōu)勢：1.節(jié)能減排：相變儲能技術可以有效地利用可再生能源(如太陽能)來儲存能量，并在需要時釋放，從而減少對傳統(tǒng)能源的需求，減少溫室氣體排放，有助于應對全球變暖和氣候變化問題；2.提高能源利用效率：相變儲能材料可以提高能源利用的效率，通過儲存能量在需要時釋放，實現(xiàn)能源的平衡和穩(wěn)定供應，減少能源浪費；3.多領域應用：相變儲能技術在建筑、交通、電子制造等多個領域都有廣泛的應用前景，可以為各行業(yè)提供節(jié)能、環(huán)保的解決方案；4.可持續(xù)發(fā)展支持：相變儲能技術有助于支持可持續(xù)發(fā)展的目標，促進清潔能源的利用和推廣，減少對不可再生能源的依賴，推動經濟的可持續(xù)發(fā)展?？紤]到石油等傳統(tǒng)能源資源的不可再生性、污染性以及環(huán)境問題，以及對資源耗竭的擔憂，發(fā)展高效的清潔能源的存儲和轉換變得尤為迫切。因此，相變儲能技術的發(fā)展具有重要意義，可以為解決能源和環(huán)境問題提供有效的解決方案，推動可持續(xù)發(fā)展進程。

2、而目前相變儲能復合材料面臨著一個非常嚴峻的問題：定向傳熱效率低。解決這個問題的關鍵在于優(yōu)化復合材料的骨架部分，從而得到更高的熱導率。在此方面，石墨烯這種熱門的二維材料顯示出巨大的潛力，因為它具有極高的面內熱導率(介于2000～5000w/m·k)。這種材料在提高熱傳導方面已經被廣泛研究和應用，石墨烯獨特的二維結構導致其熱傳導方式與常規(guī)材料不同，這要求石墨烯的骨架結構具有高度的定向性，以充分利用其優(yōu)異的熱導特性。

技術實現(xiàn)思路

1、針對上高導熱的相變儲能復合材料的迫切需要，本發(fā)明提供一種利用石墨烯漿液層流剪切構筑定向熱傳遞路徑的方法以及儲能應用。首先，對石墨烯漿料進行濃縮或者稀釋，通過冷凍擠壓裝置將石墨烯漿料擠出，由于漿料在流動過程中在不同的高度會產生不同的流速，從而對石墨烯納米片層產生強烈的剪切力，令石墨烯納米片層發(fā)生偏使其高度取向，通過層疊和模壓后，得到高面內熱導率的石墨烯骨架。在真空輔助灌注的方式下灌注相變材料獲得高導熱的石墨烯基相變儲能復合材料。具體是按照以下步驟進行的：

2、1)石墨烯/聚乙烯醇定向復合材料的制備：將濃度為0.5wt％-15wt％的石墨烯漿料與水溶性高分子(二者的質量比例為1：3)混合后置于行星攪拌器中以1000-5000r/min的速率攪拌1.5h，其間不斷地在90℃的溫度進行加熱石墨烯與水溶性高分子的漿料直至變?yōu)楦酄罟腆w(其粘度范圍為50-2000mpa·s)為止；

3、2)石墨烯高取向片層的制備：將膏狀的石墨烯/水溶性高分子復合材料裝入可加熱的螺桿擠出機中，以1-500mm/min的速度進行擠出至速度為1-500mm/min牽伸板上，擠出口的高度(擠出口的高度為擠出模具到牽伸板的距離)為1-200μm，得到石墨烯/水溶性高分子高取向片層，再將得到的每一層石墨烯/水溶性高分子高取向片層放入可加熱的模具中；

4、3)高取向石墨烯骨架的制備：將放入可加熱的模具中的石墨烯/水溶性高分子高取向片層置于的壓機下，通過模壓的方法令每個片層之間的接觸更加緊密從而進一步得到高取向的石墨烯片層，并且也可以通過模壓得到不同密度(通過模壓至不同的厚度，從而得到不同密度的復合材料)的高取向石墨烯/水溶性高分子復合材料；

5、4)高取向石墨烯骨架石墨化處理：將3)中獲得將高取向石墨烯骨架放入石墨化爐中，在惰性氣體氛圍下進行3-35h的石墨化處理，去除內部的水溶性高分子，從而構建完美的石墨烯片層，得到不同密度的高取向石墨烯泡沫，石墨化處理的溫度為2300℃-3200℃；

6、5)在石墨烯骨架中灌注相變儲能材料：將高取向石墨烯骨架放入已經熔化好了的相變材料中，并置于真空烘箱中，將真空烘箱抽至-0.1mpa并保持2-24h后，在毛細管以及真空負壓的作用下，得到高導熱石墨烯相變儲能材料；

7、優(yōu)選的，上述步驟1)中所述的石墨烯濃度為5wt％-15wt％為最優(yōu)，水溶性高分子可為淀粉、阿拉伯膠、藻蛋白酸鈉、骨粉、明膠、羧甲基纖維素、甲基纖維素、乙基纖維素、羥乙基纖維素、聚丙烯酸、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚馬來酸酐、聚季胺鹽、聚乙二醇，它們可以使用一種或兩種以上；

8、優(yōu)選的，上述步驟2)中所述的擠出速度5-100mm/min為最優(yōu)；

9、優(yōu)選的，上述步驟4)中所述的石墨烯骨架石墨化處理溫度在2800-3000℃，15-30h為最優(yōu)；

10、優(yōu)選的，上述步驟5)中所述的相變材料包括但不局限于高精煉石蠟、正二十七烷、正十四烷、雙十八烷、月桂醇、金剛醇、赤蘚糖醇、氧化聚乙烯蠟等，它們可以使用一種或兩種以上。

11、本發(fā)明的有益效果是：一、本發(fā)明與傳統(tǒng)方法制備的石墨烯骨架更加簡便高效、可大尺寸、批量化生產樣品：傳統(tǒng)的石墨烯骨架制備方法為冰模板法，首先，該方法需要進行冷凍干燥，因此無法制備大尺寸的樣品，因為當樣品增大一倍時，其冷凍干燥時間將成指數(shù)倍增加，因此會增加成本；其次，當使用冰模板法制備大尺寸樣品時，溫度梯度難以傳遞到大尺寸樣品的邊緣處，因此樣品邊緣處的取向度難以均勻且較低。而該方法可批量化的制備大尺寸、高取向的石墨烯泡沫，并且更加簡單高效。二、本發(fā)明提升了石墨烯泡沫的取向度：通過石墨烯漿料與熱塑性高分子的粘性流動，在擠出口處發(fā)生粘性液體的層流流動，并且擠出口的各個部位的流動速度不同，使得石墨烯片層產生強剪切力，從而得到高取向排布的石墨烯泡沫。三、本發(fā)明所用的材料更加簡單且節(jié)?。罕景l(fā)明采用的水溶性的熱塑性高分子價格便宜，且用量也較少，相較與傳統(tǒng)方法長時間使用冷凍干燥以及液氮的使用，該方法所需要的成本更低。

技術特征：

1.一種利用石墨烯漿液層流剪切構筑定向熱傳遞路徑的方法，其特征在于：包括以下步驟：

2.根據權利要求1所述的利用石墨烯漿液層流剪切構筑定向熱傳遞路徑的方法，其特征在于：步驟1)中所述的石墨烯濃度在5wt％-15wt％。

3.根據權利要求1所述的利用石墨烯漿液層流剪切構筑定向熱傳遞路徑的方法，其特征在于：步驟2)中所述擠出速度為5-300mm/min。

4.根據權利要求1所述的利用石墨烯漿液層流剪切構筑定向熱傳遞路徑的方法，其特征在于：步驟4)中所述的石墨化溫度在2800-3200℃之間，時間在5-25h之間。

5.根據權利要求1所述的利用石墨烯漿液層流剪切構筑定向熱傳遞路徑的方法，其特征在于：步驟5)中所述的中所述的相變材料為高精煉石蠟、正二十七烷、正十四烷、雙十八烷、月桂醇、金剛醇、赤蘚糖醇、氧化聚乙烯蠟中的至少一種。

6.根據權利要求1所述的利用石墨烯漿液層流剪切構筑定向熱傳遞路徑的方法，所述水溶性高分子為淀粉、阿拉伯膠、藻蛋白酸鈉、骨粉、明膠、羧甲基纖維素、甲基纖維素、乙基纖維素、羥乙基纖維素、聚丙烯酸、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚馬來酸酐、聚季胺鹽、聚乙二醇中的至少一種。

7.根據權利要求1-6中任一所述方法制備的取向石墨烯納米片層的高導熱相變儲能材料。

技術總結
本發(fā)明涉及一種利用石墨烯漿液層流剪切構筑定向熱傳遞路徑的方法以及儲能應用。通過利用液體在管道內的層流原理，利用靠近管道內壁和管道中部的液體流速差產生零石墨烯偏轉的剪切力，從而制備高取向的石墨烯骨架，再通過高溫石墨化處理得到高熱導率的石墨烯骨架，利用類RTM的真空負壓壓灌注方法灌注相變儲能材料，獲得高導熱的石墨烯相變儲能復合材料。該高取向，高導熱的石墨烯相變儲能材料具有熱導率最高可達158W/(m·K)，相變焓值高達320kJ/L，可根據不同需求調節(jié)熱導率和相變焓值。因此，該新型的石墨烯相變儲能材料有著重大的應用前景。

技術研發(fā)人員：孫賢賢,張瑞,李宜彬,徐惠彬
受保護的技術使用者：北京航空航天大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/19