多孔SiC材料及其制备方法和相变储能材料
技术领域
本发明涉及储能材料的技术领域，更具体地，涉及多孔SiC材料及其制备方法和相变储能材料。
背景技术
能源是人类文明的基石，是人类经济活动的重要保障，对于人类社会发展至关重要。就目前而言，人类能源结构中仍然以化石能源为主，即石油、煤炭和天然气，能源消耗占约能源总体消耗的84％，随之而来的环境污染和碳排放问题越发突出。
建筑、工业和交通是能源消耗最主要的三大领域。其中，世界建筑耗能早在2015年就已经超过工业和交通，成为能源消耗的最主要方面。而在中国，伴随着经济的快速发展和城市化进程的明显加快，每年建成的新建建筑达到了16～20亿平方米，由此带来的能源消耗和环境污染问题受到高度重视。
将相变储能材料应用于建筑材料中，可以有效利用清洁无污染的太阳能大幅度降低建筑能耗。建筑用相变储能材料分为有机和无机两大类。其中，有机相变储能材料由于容易泄露、易燃和导热率低的问题阻碍了其在建筑节能方面的应用。无机相变储能材料(无机水合盐)的相变点从0℃到100℃以上均可选择并且储能密度大。这些优点使得无机水合盐可以被应用于建筑节能相变储能材料。但是，无机水合盐在吸收、释放热能的过程中容易出现相分离和过冷度过大的问题。如何解决这两个关键问题是无机水合盐应用于建筑节能相变储能材料的关键。
加入增稠剂和成核剂是目前解决相分离和过冷度的常用方法。但是，对于不同种类的无机水合盐，成核剂和增稠剂的使用种类和使用量需要做针对性研究，难以广泛适用，此外增稠剂和成核剂的加入可能会影响无机水合盐的储热性能。
具有高导热性能的多孔材料，可以利用其大比表面积和该材料中的高导热晶粒抑制无机水合盐的过冷问题，同时，无机水合盐存在于多孔材料的微小那个洞中，如此微小空间内相分离问题也可以得到有效解决。
有鉴于此，本发明提出一种新型的多孔材料的制备方法。
发明内容
本发明提供了一种多孔SiC材料的制备方法，该制备方法工艺简单，可以广泛适用，并且能有效解决无机水合盐相变储能材料的相分离和过冷度的问题。
为解决上述的技术问题，本发明采用的基本构思如下：
一种多孔SiC材料的制备方法，所述制备方法包括：
浓硫酸处理糖类制备多孔碳材料；
在所述多孔碳材料的下层和上层铺设石英和焦炭混合物，密闭焙烧、冷却至室温，即得所述多孔SiC材料。
作为本发明的一种实施方式，将所述糖类溶解于蒸馏水中，得到糖溶液；向所述糖溶液中加入98wt％的浓H2SO4，进行蒸发处理，蒸发处理完毕后，取出黑色固体，再放入烘箱中加热，得到所述的多孔碳材料。
作为本发明的一种实施方式，所述糖类为淀粉或果糖，所述糖类按照0.5倍的室温最大溶解度溶解于蒸馏水中，得到所述糖溶液。
作为本发明的一种实施方式，98wt％的浓H2SO4的加入量为所述糖溶液的质量的2.5％。
作为本发明的一种实施方式，所述蒸发处理的蒸发温度为90℃，处理时间为24h。
作为本发明的一种实施方式，所述黑色固体在烘箱中的加热温度为180℃，加热时间为24h。
作为本发明的一种实施方式，所述石英和焦炭混合物中，石英与焦炭的质量比为：1:2.5～1:6。
作为本发明的一种实施方式，所述石英的粒度为0.5～1mm，石英的纯度为SiO2＞98％，所述焦炭的粒度小于0.1mm。
作为本发明的一种实施方式，所述密闭焙烧的升温制度为：室温～1000℃，升温速率为10℃/min；1000～1500℃，升温速率为5℃/min，1500℃保温4～8h。
本发明还涉及一种多孔SiC材料，其采用如上述内容任一项所述的制备方法得到。
本发明还涉及一种相变储能材料，所述相变储能材料利用包括如上内容任一项所述的多孔SiC材料和无机水合盐制备得到。
本发明和现有技术相比，具有如下有益效果：
1、本发明的制备方法工艺简单，可以广泛适用，糖类原料相比酚醛树脂等原料，来源广泛且可再生，并且在多孔碳形成过程中无苯类、酚类有毒有害物质产生，制备过程安全环保。
2、本发明制备得到的多孔SiC材料具有优异的导热性能，同时又具有较好的多孔结构特性，该多孔SiC材料作为无机水合盐的基体使用，可以有效解决无机水合盐的相分离和过冷度问题。
3、和镁热还原法制备多孔SiC的方法相比，本发明的制备方法不需要采用价格高昂的Mg作为还原剂，而且不需要复杂的化学反应制成多孔材料模板，反应过程中不易出现Mg2Si杂质，整个反应过程更易控制。本发明的多孔SiC材料孔径分布适中，能解决无机水合盐相变储能材料的相分离和过冷度的问题，而现有技术利用高分子热解和反应烧结方法制备出泡沫碳化硅陶瓷的孔径太大，无法达到相同的效果。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1是本发明实施例1制备的多孔碳材料的SEM图像；
图2是本发明实施例1制备的多孔SiC材料的SEM图像；
图3是本发明实施例1制备的多孔SiC材料的能谱(元素)分析图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种多孔SiC材料的制备方法，所述制备方法包括：
浓硫酸处理糖类制备多孔碳材料；
在所述多孔碳材料的下层和上层铺设石英和焦炭混合物，密闭焙烧、冷却至室温，即得所述多孔SiC材料。
作为本发明的一种实施方式，将所述糖类溶解于蒸馏水中，得到糖溶液；向所述糖溶液中加入98wt％的浓H2SO4，进行蒸发处理，蒸发处理完毕后，取出黑色固体，再放入烘箱中加热，得到所述的多孔碳材料。
作为本发明的一种实施方式，所述糖类为淀粉或果糖，所述糖类按照0.5倍的室温最大溶解度溶解于蒸馏水中，得到所述糖溶液。
按照上述的方法制备的糖溶液可以调节多孔碳材料的孔径在合适的范围内，以便于与无机水合盐一起制备得到可以有效解决无机水合盐的相分离和过冷度的相变储能材料。若小于0.5倍的最大溶解度，则制备的多孔碳材料的孔径会大于0.5mm，如大于0.5倍的最大溶解度，则制备的多孔碳材料的孔径会小于100nm甚至不会出现孔道结构，研究发现这些多孔碳材料都不利于与无机水合盐一起制备得到性能较好的相变储能材料。
作为本发明的一种实施方式，98wt％的浓H2SO4的加入量为所述糖溶液的质量的2.5％。
浓H2SO4是用于脱除糖类水分的脱水剂。加入糖溶液的质量的2.5％的浓H2SO4有助于控制反应平稳有效地进行，并可以保证多孔碳材料的孔径分布的均一性。
作为本发明的一种实施方式，所述蒸发处理的蒸发温度为90℃，处理时间为24h。
设置温度为90℃是为了蒸发掉糖溶液中的水分，温度太低蒸发速度缓慢，温度太高会造成溶液沸腾；24h的处理时间可以保证溶液中的水分完全被蒸发并避免时间过长。
作为本发明的一种实施方式，所述黑色固体在烘箱中的加热温度为180℃，加热时间为24h。
蒸发处理结束后，褐色固体中的浓H2SO4并不会被蒸发掉，为了进一步脱除黑色固体中的水分同时将浓H2SO4蒸发掉，因此采用加热温度为180℃，加热时间为24h。
作为本发明的一种实施方式，所述石英和焦炭混合物中，石英与焦炭的质量比为1:2.5～1:6。
当石英与焦炭的质量比大于1：6时，石英和焦炭会生成SiC颗粒，当小于1:2.5时石英与焦炭反应难以进行，这两种情况都会出现石英和焦炭反应生成的SiO不足，难以与多孔碳材料充分反应的现象。
作为本发明的一种实施方式，所述石英的粒度为0.5～1mm，石英的纯度为SiO2＞98％，所述焦炭的粒度小于0.1mm。
采用上述的石英和焦炭有助于增大石英和焦炭的接触面积，促使反应充分进行。
作为本发明的一种实施方式，所述密闭焙烧的升温曲线为：室温～1000℃，升温速率为10℃/min；1000～1500℃，升温速率为5℃/min，1500℃保温4～8h。
1000～1500℃时反应已经慢慢开始发生，选用较慢的升温速率5℃/min，有助于保持较好的孔结构。
本发明还涉及一种多孔SiC材料，其采用如上述内容任一项所述的制备方法得到。
本发明还涉及一种相变储能材料，所述相变储能材料利用包括如上内容任一项所述的多孔SiC材料和无机水合盐制备得到。
下面结合部分的实施案例进行详细地说明，以便于更好地理解本发明。
实施例1
将糖类(淀粉和果糖等)按照0.5倍的最大溶解度溶解于蒸馏水中，得到糖溶液；再向该溶液中加入98wt％的浓H2SO4，加入量为糖溶液质量的2.5％，得到混合液。将此混合溶液置于旋转蒸发仪上，进行蒸发处理，其中，蒸发温度为90℃，时间为24h。蒸发处理完毕后，取出黑色固体，放入烘箱中加热，加热温度为180℃，时间为24h，最终得到多孔碳材料。该多孔碳材料的微观形貌如图1所示。
将上一步得到的多孔碳材料放入氧化铝匣钵中。在放入之前，需在匣钵底面上铺满石英与焦炭均匀混合后得到的石英与焦炭混合物。在放入黑色固体材料之后，在其周围和顶部同样铺满石英与焦炭混合物。石英颗粒的粒度要控制在0.5～1mm，焦炭颗粒的粒度要控制在0.1mm以下，石英纯度满足：SiO2＞98％，石英与焦炭的质量比为：1:2.5～1:6。之后，盖上匣钵盖并用耐火黏土封好接缝，将该匣钵放入加热炉中开始加热，升温曲线如下：
室温～1000℃，升温速率为10℃/min；
1000～1500℃，升温速率为5℃/min；
1500℃，保温4～8h；
然后自然冷却至室温，得到黑色的多孔SiC材料。
多孔SiC材料的微观形貌如图2所示，能谱(元素)分析图如图3所示。
从测试的结果可以看出：第一步反应可以制备出多孔碳材料(图1)。在第二步反应后多孔结构得到了较好的保留(图2)，并且其孔径使本发明的多孔SiC材料适于作为相变储能材料的基体材料，而元素分析结果表明该材料已经转变为多孔SiC材料(图3)。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
