基于水基光敏浆料成型的多孔陶瓷及其用于相变支撑的研究

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相变储能作为一种潜热储存技术具有能量密度高、储热/供热温度恒定、循环利用等明显优势,在能量的吸收、存储和释放等领域扮演着越来越重要的角色。其中,成本低廉、腐蚀性小和性能稳定的有机-固液相变材料(SLPCMs)成为近年来使用最广泛的潜热储存材料。然而,SLPCMs在相变过程中形状不稳定,容易泄漏,限制了其在能量储存中的实际应用。为了克服这一关键问题,需要为相变材料构筑一定的支撑结构。多孔氧化铝陶瓷作为一种具有良好导热性、热稳定性、高渗透性和耐腐蚀性的陶瓷材料,非常适合用作相变支撑材料,再加上其本身廉价易得,也利于大规模的生产使用。但是氧化铝材料本身具有极高的硬度和脆性,传统的加工方式很难控制其有效成型,而增材制造技术的发展为复杂几何形状多孔氧化铝陶瓷块体的成型提供了解决方案。本文以级配氧化铝粉末作为起始原料,选用聚乙二醇(400)二丙烯酸酯(PEG400DA)作为光敏粘结剂,去离子水和淀粉分别作为分散介质和造孔剂,甘油作为润湿剂和分散剂,制备了一种水性光敏陶瓷浆料,并采用光固化3D打印技术制备出形状复杂的氧化铝陶瓷生坯,然后将陶瓷生胚高温烧结处理制备出所需的多孔氧化铝块体材料。值得注意的是本研究在光敏浆料中加入了大量的淀粉作为造孔剂,将增材制造技术和传统造孔剂法相结合,实现了可调控微观孔结构氧化铝块体的复杂成型。此外,我们系统地探究了烧结温度和造孔剂含量对多孔氧化铝陶瓷体密度和开孔率的影响,并通过调节烧结温度(1200℃-1600℃)和造孔剂含量(相对于固体总量0-50 wt.%),制备了一系列开孔率为45-81%的多孔氧化铝块体材料。将制得的多孔氧化铝块体用作相变支撑材料,石蜡和PEG2000分别作为相变材料,采用真空吸附法制备了一系列氧化铝陶瓷支撑的相变复合材料。制得的相变复合材料表现出非常优异的形状稳定性,在70℃下加热60 h后质量损失均不超过1%,几乎不发生泄漏。其中Paraffin/S4-Al2O3和PEG2000/S4-Al2O3展现出良好的储热性能,相变潜热分别可以达到84.63 J g-1和85.71 J g-1,并且经过10次熔融-结晶循环后相变潜热几乎没有减少。
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