一種相變熱整流器及其制備方法技術

本發明專利技術公開了一種相變熱整流器及其制備方法。該熱整流器由多孔材料和相變材料復合而成，多孔材料為相變熱整流器的骨架，在多孔材料骨架的兩端分別負載不同種類和比例的相變材料。本發明專利技術通過多孔材料對相變材料的吸附負載來制備熱整流器，制備工藝簡單、省時，所成功制得的復合相變材料即為具有宏觀尺寸熱整流效果的相變熱整流器。

【技術實現步驟摘要】
一種相變熱整流器及其制備方法
本專利技術屬于聲子器件
，涉及一種基于相變材料的熱整流器，尤其涉及一種以多孔材料為骨架，且與固-液相變材料進行復合的熱整流器及其制備方法。
技術介紹
聲子器件的出現，比如熱二極管、熱晶體管、熱邏輯門、以及熱儲存器等，不僅拓展了信息科學和
的研究方向，更重要的是，它們還能被廣泛地應用于熱能管理，因此吸引了越來越多的基礎科學和應用研究者的關注。所謂的熱整流器，是指當熱能沿著熱整流器的一個方向流動時，它是熱的良導體，而當熱能沿著相反方向流動時，它就轉變為熱的絕緣體?；谔技{米管的納米熱整流器已經由科研人員實現，通過在單根碳納米管上的一端沉積一層非晶材料C9H16Pt，從而造成了不對稱的聲子-邊界散射來產生熱整流效果。理論上，各種納米結構已被預測具有熱整流特征，比如三角形的石墨納米盤、Y型石墨納米盤、3D不對稱納米結構等等。納米熱整流現象的機理可概括為，由其結構的兩端功率譜的匹配/不匹配所導致。上述納米熱整流器是基于聲子譜的不匹配，即是由質量或幾何的不對稱性造成的。然而，由于在納米尺度對材料進行如此精細的微觀操作是非常困難的，所以這對納米器件的設計和制造而言是相當大的挑戰。
技術實現思路
本專利技術旨在提供一種相變熱整流器及其制備方法，構筑一類相變材料與多孔骨架材料的宏觀復合體系，以使整個器件在特定溫度下具有熱整流效應。本專利技術首次采用相變材料實現了宏觀體系在特定溫度下具有熱整流效果的目的，并成功通過多孔骨架材料解決了固-液相變材料應用時常面臨的泄漏問題、以及在相變過程中體積變化導致的破壞容器問題。為了實現上述目的，本專利技術采用以下技術方案：本專利技術的相變熱整流器，由多孔材料和相變材料復合而成，所述的多孔材料為相變熱整流器的骨架，所述多孔材料骨架的兩端負載不同的相變材料。優選地，所述相變材料選自固-液相變材料中的二種或者多種；比如不同分子量的PEG、不同分子量的石蠟等。優選地，所述多孔材料能吸附相變材料，選自碳納米管海綿、碳納米管陣列、還原氧化石墨烯氣凝膠、二氧化硅氣凝膠等。優選地，所述相變材料在熱整流器中的質量分數為50％～98％。優選地，所述多孔材料骨架兩端的相變材料的相變溫度不同，當熱整流器兩端的溫度不同，并使得具有較低相變溫度的相變材料發生固-液相變后，由于此相變材料的熱導率發生突變，從而使得熱整流器起到熱整流的效果。優選地，所述多孔材料骨架兩端的相變材料的熱導率不同。本專利技術制備上述熱整流器的方法，主要包括以下步驟：1)制備液態相變材料；2)把多孔材料制作成樣條；3)在樣條的兩端分別負載不同的液態相變材料，得到相變熱整流器。優選地，步驟1)通過將相變材料分別配制成溶液(溶液的質量分數為5％～65％)或是直接加熱至相變溫度使其熔化成液態制備液態相變材料。優選地，步驟1)根據不同的相變材料，選取不同的溶劑，溶劑應選擇沸點較低的。優選地，上述方法還包括在液態相變材料中添加不同的納米粉末(比如納米石墨粉、納米碳化硅等)來調節相變材料的熱導率，再負載到樣條上。優選地，步驟2)可以通過剪裁，或直接使用模具將多孔材料制作成不同形狀的樣條，樣條的形狀可以是長方形，也可以是三角形等不同的幾何形狀。優選地，步驟3)包括在一根樣條的兩端滴加不同的液態相變材料，并真空干燥，得到相變熱整流器；或者在兩根樣條上分別滴加不同的液態相變材料，并真空干燥后再壓合為兩端具有不同相變材料的樣條，得到相變熱整流器。優選地，上述真空干燥時的溫度應選擇兩種相變材料的相變溫度的中間值。優選地，步驟3)在樣條兩端負載不同的液態相變材料時，應先負載熔點較高的液態相變材料，同時所使用的兩種液態相變材料不能互溶。優選地，步驟3)在樣條兩端負載不同的液態相變材料時，可以對稱負載，也可以不對稱負載。我們專利技術了一種通過固-液相變材料的相變過程來控制熱流的熱整流器。然而，固-液相變材料在實際應用中往往會受到一些阻礙，如相變后材料的泄漏，以及在相變過程中較大的體積變化等問題。納米限域技術是目前解決上述問題最有效的方法之一，它不僅可以防止液相材料的泄漏，減小體積變化的影響，還可以對相變材料進行功能化，比如使相變材料具有電熱轉化和光熱轉化等功能。納米限域技術可采用多孔材料。本專利技術的有益效果如下：本專利技術通過多孔骨架材料對相變材料的吸附負載來制備熱整流器，其制備工藝與現有的其他熱整流器制備工藝相比，具有簡單、省時的特點，同時解決了固-液相變材料應用時常面臨的泄漏問題、以及在相變過程中體積變化導致的破壞容器的問題。當兩端的相變材料一定時，通過采用不同的多孔骨架材料和調整骨架材料的形狀結構，可獲得最優化的熱整流效果；當多孔骨架材料一定時，通過改變兩端負載的相變材料的種類或比例，可獲得最優化的熱整流效果。附圖說明圖1是本專利技術實施例1熱整流器結構示意圖。圖2是本專利技術實施例2測試樣條的外觀照片。圖3是本專利技術實施例2獲得樣品的中間界面的掃描電鏡圖。圖4是本專利技術實施例5熱整流器結構示意圖。具體實施方式實施例1本實施例的熱整流器，其中多孔材料選取碳納米管海綿，相變材料選取為PEG1000和硬脂酸，溶劑為二氯甲烷和無水乙醇。本實施例的制備過程是：首先分別把1g的硬脂酸溶于10mL的二氯甲烷，1g的PEG1000溶于10mL的無水乙醇，然后準確稱量長方形(尺寸為：25.0×6.0×1.2mm3)的碳納米管海綿的質量，將已知濃度的兩種相變材料溶液分別滴加到碳納米管海綿的兩端，然后將樣品置于真空干燥箱內并控制箱內溫度為40℃，干燥過夜后得到長方形熱整流器器件，質量約為0.5g，相變材料的含量為92.8％。圖1為其示意圖，左側為PEG1000，右側為硬脂酸，相變材料被碳納米管海綿所包覆。熱整流測試：樣品兩端分別貼于熱庫和加熱器上，并在兩端貼上熱電偶來測量溫度的變化。測試先由一端開始加熱，記錄另一端的溫度變化曲線，并計算輸入功率的大小，然后再反過來測試。通過計算兩個方向熱流和溫度的不同，來得到熱整流系數。測試結果：熱整流器是由碳納米管海綿為骨架，兩端分別負載PEG1000和硬脂酸，即高溫端(硬脂酸)和低溫端(PEG1000)。我們規定熱流從高溫端向低溫端傳遞的是正方向，從低溫端向高溫端的為逆方向。根據公式P＝r﹒I2可以計算出，輸入熱流端的熱功率。這里r和I為加熱系統的電阻和電流。正方向的熱功率(P+)與逆方向的熱功率(P-)的比值為熱整流系數(R＝P+/P-)。測試結果表明，熱整流器器件的正方向的熱功率(P+)與逆方向的熱功率(P-)分別為420mW和400mW，其熱整流系數為1.05。實施例2本實施例的熱整流器，其中多孔材料選取還原氧化石墨烯氣凝膠，相變材料為PEG4000和二十烷，溶劑為二氯甲烷和無水乙醇。本實施例的制備過程是：首先把1g的二十烷和PEG4000分別溶于10mL的二氯甲烷和無水乙醇，然后準確稱量長方形(尺寸為：25.0×6.0×0.8mm3，如圖2所示)的還原氧化石墨烯氣凝膠的質量，將已知濃度的兩種相變材料溶液分別滴加到還原氧化石墨烯氣凝膠的兩端，然后將樣品置于真空干燥箱內并控制箱內溫度為40℃，干燥過夜后取出樣品，其質量為0.8g，相變材料的含量為88.5％。圖3為熱整流器界面的掃描電鏡照片，左側為負載二十烷的還原氧化石墨烯氣凝膠，右側為本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種相變熱整流器，由多孔材料和相變材料復合而成，所述的多孔材料為相變熱整流器的骨架，所述多孔材料骨架的兩端負載不同的相變材料。

【技術特征摘要】
1.一種相變熱整流器，由多孔材料和固-液相變材料復合而成，所述的多孔材料為相變熱整流器的骨架，所述多孔材料骨架的兩端負載相變溫度不同、熱導率不同且互不相溶的固-液相變材料。2.如權利要求1所述的相變熱整流器，其特征在于，所述多孔材料選自碳納米管海綿、碳納米管陣列、還原氧化石墨烯氣凝膠、二氧化硅氣凝膠。3.權利要求1-2任一所述的相變熱整流器的制備方法，包括以下步驟：1)制備液態相變材料；2)把多孔材料制作成樣條；3)在樣條的兩端分別負載不同的液態相變材料，得到相變熱整流器。4.如權利要求3所述的制備方法，其特征在于，步驟1)通過將相變材料分別配制成溶液或是直接加熱至相變溫度使其熔化成液態制備液態相變材料。5.如權利要求3所述的制備方法，其特征在于，還包括在...

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳人杰，鄒如強，姚銳敏，
申請(專利權)人：北京大學，
類型：發明
國別省市：北京;11