权利要求
1.一种高效能量吸收材料的制备方法，其特征在于，该方法包括：
将绝缘材料与相变材料进行混合获得绝缘相变材料，并加入含有纳米级的高导电性金属纳米颗粒的分散液，均匀混合后，制备湿膜并进行干燥得到初始原料;
对所述初始原料依次进行热压成型处理和退火处理。
2.根据权利要求1所述的高效能量吸收材料的制备方法，其特征在于，所述相变材料为金属镓熔化后冷却至室温后得到的。
3.根据权利要求1所述的高效能量吸收材料的制备方法，其特征在于，还包括以下技术特征中的一项或多项：
A、所述绝缘材料和所述相变材料的质量比为(1～2):(2～3);
B、所述绝缘材料的粒度范围在1～2nm;
4.根据权利要求1所述的高效能量吸收材料的制备方法，其特征在于，还包括以下技术特征中的一项或多项：
A、所述金属纳米颗粒的粒度不大于10nm;
B、所述分散液采用超声波分散30～60min的方式进行处理;
C、所述金属纳米颗粒为银纳米颗粒。
5.根据权利要求1至4任一所述的高效能量吸收材料的制备方法，其特征在于，还包括以下技术特征中的一项或多项：
A、所述干燥处理的温度范围为60～100℃;
B、所述热压成型处理的参数范围为：20～80MPa、150～200℃、30～60min;
C、所述退火处理的参数为温度100～300℃、时间1～2h。
6.一种具有高效能量吸收的Ag/Al2O3/Ga
复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括：
将Al2O3纳米颗粒和金属Ga混合得到绝缘相变材料，加入含有Ag纳米颗粒的分散液，继续混合均匀后，得到初始料浆，通过涂覆获得湿膜，进行干燥处理后，再依次进行热压成型处理和退火处理，得到所述复合材料。
7.根据权利要求6所述的具有高效能量吸收的Ag/Al2O3/Ga复合材料的制备方法，其特征在于，还包括以下技术特征中的一项或多项：
A、所述Ag纳米颗粒的粒度不大于10nm;
B、所述Ag纳米颗粒为纳米立方结构的颗粒;
C、所述Ag纳米颗粒为采用化学还原法制备而成;
D、所述分散液中，分散相为Ag纳米颗粒，分散剂为PVP，溶剂为硝酸银溶液;
E、所述分散液采用超声波分散30～60min的方式进行处理。
8.根据权利要求6所述的具有高效能量吸收的Ag/Al2O3/Ga复合材料的制备方法，其特征在于，还包括以下技术特征中的一项或多项：
A、所述Al2O3纳米颗粒和所述金属Ga的质量比为(1～2):(2～3);
B、所述Al2O3纳米颗粒的粒度范围在1～2nm;
C、所述金属Ga为金属镓熔化后冷却至室温后得到的;
D、所述绝缘材料为采用溶胶-凝胶法制备而成。
9.根据权利要求6至8任一所述的具有高效能量吸收的Ag/Al2O3/Ga复合材料的制备方法，其特征在于，还包括以下技术特征中的一项或多项：
A、所述干燥处理的温度范围为60～100℃;
B、所述热压成型处理的参数范围为：20～80MPa、150～200℃、30～60min;
C、所述退火处理参数为：温度100～300℃、时间1～2h。
10.根据权利要求6至9任一所述的具有高效能量吸收的Ag/Al2O3/Ga复合材料的应用，其特征在于，适合集成到SPD的热敏电阻组件、散热片、导热垫和连接导体中一种或多种。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及能量吸收材料领域，具体为一种高效能量吸收材料的制备方法及应用。
背景技术
[0002]SPD是用来保护电气设备免受电涌(如雷击和电力系统切换操作)影响的一种装置。电涌保护器的主要功能是限制过电压并将其引导到地面，从而保护设备免受过电压损坏。它通常由一个或多个非线性元件(如压敏电阻或气体放电管)组成，这些元件在电压超过一定值时会导通，从而将电流引导到地面。
[0003]虽然SPD的响应时间通常在纳秒级，但在某些高速数据传输应用中，可能仍然不够快，导致设备受损。SPD在吸收浪涌能量时会逐渐老化，性能下降，需要定期检测和更换。一些SPD在多次承受浪涌后可能会失效。高质量的SPD成本较高，尤其是在需要多个级别保护的情况下，整体成本会进一步增加。
发明内容
[0004]为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种高效能量吸收材料的制备方法及应用。
[0005]本发明目的之一，在于提供一种高效能量吸收材料的制备方法，该方法包括：
[0006]将绝缘材料与相变材料进行混合获得绝缘相变材料，并加入含有纳米级的高导电性金属粉末的分散液，均匀混合后，制备湿膜并进行干燥得到初始原料;
[0007]对所述初始原料依次进行热压成型处理和退火处理。
[0008]优选的，所述相变材料为金属镓熔化后冷却至室温后得到的。
[0009]优选的，所述高效能量吸收材料的制备方法还包括以下技术特征中的一项或多项：
[0010]A、所述绝缘材料和所述相变材料的质量比为(1～2):(2～3);
[0011]B、所述绝缘材料的粒度范围在1～2nm;
[0012]C、所述绝缘材料选用纳米氧化铝颗粒。
[0013]优选的，所述高效能量吸收材料的制备方法，还包括以下技术特征中的一项或多项：
[0014]A、所述金属纳米颗粒的粒度不大于10nm;
[0015]B、所述分散液采用超声波分散30～60min的方式进行处理;
[0016]C、所述金属纳米颗粒为银纳米颗粒。
[0017]更进一步优选的，所述高效能量吸收材料的制备方法还包括以下技术特征中的一项或多项：
[0018]A、所述干燥处理的温度范围为60～100℃;
[0019]B、所述热压成型处理的参数范围为：20～80MPa、150～200℃、30～60min;
[0020]C、所述退火处理的参数为温度100～300℃、时间1～2h。
[0021]本发明目的之二，在于提供一种具有高效能量吸收的Ag/Al2O3/Ga复合材料的制备方法，该方法包括：
[0022]将Al2O3纳米颗粒和金属Ga混合得到绝缘相变材料，加入含有Ag纳米颗粒的分散液，继续混合均匀后，得到初始料浆，通过涂覆获得湿膜，进行干燥处理后，再依次进行热压成型处理和退火处理，得到所述复合材料。
[0023]优选的，所述具有高效能量吸收的Ag/Al2O3/Ga复合材料的制备方法还包括以下技术特征中的一项或多项：
[0024]A、所述Ag纳米颗粒的粒度不大于10nm;
[0025]B、所述Ag纳米颗粒为纳米立方结构的颗粒;
[0026]C、所述Ag纳米颗粒为采用化学还原法制备而成;
[0027]D、所述分散液中，分散相为Ag纳米颗粒，分散剂为PVP，溶剂为硝酸银溶液;
[0028]E、所述分散液采用超声波分散30～60min的方式进行处理。
[0029]在一些实施例中，所述Ag纳米颗粒是采用在硝酸银水溶液中加入还原剂柠檬酸钠和稳定剂聚乙烯吡咯烷酮充分反应制备而成的，其中硝酸银、所述还原剂和所述稳定剂三者的质量比为：(2.4～3.7):(1.8～2.8):(1.2～2.0)。
[0030]在一些实施例中，所述分散液中，所述Ag纳米颗粒、硝酸银、所述分散剂PVP的质量比为：(2.5～3.8):(2.3～2.9):(2.4～3.8)。
[0031]进一步优选的，所述具有高效能量吸收的Ag/Al2O3/Ga复合材料的制备方法还包括以下技术特征中的一项或多项：
[0032]A、所述Al2O3纳米颗粒和所述金属Ga的质量比为(1～2):(2～3);
[0033]B、所述Al2O3纳米颗粒的粒度范围在1～2nm;
[0034]C、所述金属Ga为金属镓熔化后冷却至室温后得到的;
[0035]D、所述绝缘材料为采用溶胶-凝胶法制备而成。
[0036]在一些实施例中，所述Al2O3纳米颗粒是采用将氧化铝溶解在
氯化铁溶剂中，通过水解和缩合反应，使其形成胶化反应，生成氧化铝凝胶;对所述氧化铝凝胶进行烘干处理，得到干燥氧化铝产物;对所述干燥氧化铝产物进行煅烧处理后，自然冷却的方法进行制备的，其中氧化铝和氯化铁的用量关系为：(4.3～6.5g):(2.5～3.9g)，所述烘干处理的温度为50～60℃，所述煅烧处理的参数为500～800℃、2～4h。
[0037]在一些实施例中，所述Ag纳米颗粒、所述Al2O3纳米颗粒和所述金属Ga的质量比为(2.5～3.8g):(0.9～1.4g):(1.9～3.0g)。
[0038]进一步优选的，所述具有高效能量吸收的Ag/Al2O3/Ga复合材料的制备方法还包括以下技术特征中的一项或多项：
[0039]A、所述干燥处理的温度范围为60～100℃;
[0040]B、所述热压成型处理的参数范围为：20～80MPa、150～200℃、30～60min;
[0041]C、所述退火处理参数为：温度100～300℃、时间1～2h。
[0042]本发明目的之三，在于提供上述具有高效能量吸收的Ag/Al2O3/Ga复合材料的制备方法所制备而成的Ag/Al2O3/Ga复合材料的应用，适合集成到SPD的热敏电阻组件、散热片、导热垫和连接导体中一种或多种。
[0043]与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0044]本发明提供了一种高效能量吸收材料的制备方法，通过金属纳米颗粒与绝缘材料之间通过物理结合及化学键合相互连接，金属纳米颗粒的作用是提升导电性能，从而增强能量吸收效率;绝缘材料则起到绝缘和支撑的作用，同时其高热导率有助于散热;并且相变材料与周围材料之间相邻或紧密接触，它们之间通过物理接触实现热传递和能量交换，相变材料在吸收浪涌能量时发生相变，吸收大量热量，通过各材料之间的协同作用，共同提高SPD的能量吸收效率、减少热积累，并延长使用其制作的器件的使用寿命。
[0045]本发明还提供了一种具有高效能量吸收的Ag/Al2O3/Ga复合材料的制备方法，制备了一种微纳米结构单元作为主体，材料之间会发生络合反应，产生具有带有孔洞的网络结构，经过测试发现，这样的结构可以有效提高能量阙值，使得能量吸收过程中安全范围更高，相同时间内能吸收的能量也越多。因此，适合作为能量吸收材料应用在SPD领域，比如将该复合材料集成到SPD的热敏电阻组件、散热片、导热垫和连接导体中一种或多种，降低SPD的工作温度，从而缓解热积累问题，使得SPD在面对浪涌时能够更有效地保护电气设备。
附图说明
[0046]图1为实施例中所制备的Ag纳米颗粒的TEM测试图;
[0047]图2为实施例中所制备的Ag/Al2O3/Ga复合材料的SEM测试图;
[0048]图3为实施例中复合材料的能量吸收效率分析图。
具体实施方式
[0049]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
[0050]本具体实施方式提供一种高效能量吸收材料的制备方法，步骤为：
[0051]S1、材料制备，分别为：制备含有高导电性金属纳米颗粒的分散液、以及制备高热导率绝缘材料和相变材料混合物(以下简称绝缘相变混合物);
[0052]S2、将S1步中所得到的两种材料混合，并进行成型处理，得到成型复合材料;
[0053]S3、将成型复合材料进行后处理，以提高复合材料的性能。
[0054]下面以实施例来对上述高效能量吸收材料的制备方法进行具体介绍。
[0055]实施例
[0056](1)S1步骤中的制备含有高导电性金属纳米颗粒的分散液
[0057]制备高导电性银纳米颗粒：
[0058]在140mL的浓度为0.13mol/L的硝酸银的水溶液中加入还原剂柠檬酸钠2.32g和1.62g的稳定剂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，在室温下搅拌使其充分反应，然后通过离心分离出银纳米颗粒，洗涤以除去多余的反应物和副产物，获得银纳米颗粒。
[0059]制备银纳米颗粒分散液：
[0060]将所获得的银纳米颗粒3.14g分散在140mL的浓度为0.1mol/L的硝酸银溶液中，再加入3.12g分散剂(PVP)以稳定分散体系，将混合溶液进行超声分散30min，获得含有高导电性金属纳米颗粒的分散液。
[0061](2)S1步骤中的制备绝缘相变混合物
[0062]制备高导热绝缘材料：
[0063]将铝的无机盐氧化铝(Al2O3)5.42g溶解在200mL浓度为0.1mol/L的氯化铁溶剂中，再通过水解和缩合反应，使其形成胶化反应，生成氧化铝凝胶，然后在55℃下进行干燥处理，然后将干燥后的产物在500℃下煅烧4h，以去除残留的有机物质，自然冷却至室温，即可得到纳米氧化铝颗粒，粒度范围在1～2nm。
[0064]制备相变材料：
[0065]将金属镓加热至其熔点使其熔化，然后冷却至室温使其固化，得到镓相变材料。
[0066]制备绝缘相变混合物：
[0067]将上述所获得的纳米氧化铝颗粒1.32g和镓相变材料2.81g混合，通过机械搅拌30min将其进行均匀混合，获得绝缘相变混合物。
[0068](3)S2步骤中制备成型复合材料
[0069]将S1步骤所获得的全部分散液加水至200mL后再和绝缘相变混合物3.58g进行混合后，搅拌均匀后，涂覆在陶瓷模具内，在100℃下干燥，并进行30MPa、200℃、30min下的热压处理，得到成型复合材料。
[0070](4)S3步骤中的后处理，制备复合材料。
[0071]对成型复合材料进行300℃、1h的退火处理，获得Ag/Al2O3/Ga复合材料。
[0072]下面介绍实施例1中样品的结构和形貌的测试。
[0073](1)对银纳米颗粒进行TEM分析，如图1所示，为纳米立方体结构的纳米颗粒。
[0074](2)对Ag/Al2O3/Ga复合材料进行了SEM分析，如图2所示，可以看出，复合材料内形成了连续的网络结构。
[0075](3)对Ag/Al2O3/Ga复合材料进行能量吸收效率进行测试，步骤为：
[0076]将样品固定在激光脉冲加热系统的靶台上，确保样品表面平整且激光束能够均匀照射。
[0077]使用不同功率的激光脉冲对样品进行照射，模拟不同的热负荷条件。
[0078]使用红外热像仪或热电偶等温度
传感器实时监测样品表面的温度变化。
[0079]记录每个激光脉冲下样品的温升曲线，并计算能量吸收效率。能量吸收效率可以通过比较激光脉冲输入的总能量与样品实际吸收的能量来计算。
[0080]测试结果如图3所示，可以看出，Ag/Al2O3/Ga复合材料具有优异的能量吸收效率。
[0081]现有技术中SPD能量吸收效率约在65%～75%范围内，工作温度一般保持在120℃，使用Ag/Al2O3/Ga复合材料集成在SPD中的散热片时，SPD的能量吸收效率提升到80%，工作温度保持在100℃附近。
[0082]综上所述，Ag/Al2O3/Ga复合材料具有优异的能量吸收能力，适合集成到SPD的热敏电阻组件、散热片、导热垫和连接导体中一种或多种，用于组装SPD，该复合材料用于制备的SPD具有以下优势：
[0083](1)增强保护性能：高效能量吸收材料可以更快速、更有效地吸收和分散浪涌能量，从而更好地保护电气设备免受瞬态过电压的损害;
[0084](2)减少设备故障：更高的能量吸收效率意味着浪涌电流和电压能被迅速抑制，降低了设备故障的风险;
[0085](3)提高系统稳定性：在电力系统中，能够迅速应对浪涌的SPD能防止系统电压波动，保持电网的稳定性;
[0086](4)提高SPD的可靠性：减少热积累有助于维持SPD内部元件的稳定运行，避免因过热导致的材料劣化或失效;
[0087](5)延长使用寿命：持续的热积累会加速材料的老化，通过减少热积累，可以显著延长SPD的使用寿命;
[0088](6)提升安全性：高温可能导致火灾风险，尤其在易燃环境中。减少热积累提高了SPD的整体安全性;
[0089](7)降低维护成本：更长的使用寿命意味着更少的更换和维护频率，从而降低了维护成本和劳动力支出;
[0090](8)提高系统可用性：长寿命的SPD减少了因设备更换或维修而导致的系统停机时间，提高了系统的整体可用性;
[0091](9)提升竞争力：高性能的SPD产品在市场上更具竞争力，有助于企业提升市场份额和品牌价值;
[0092](10)推动技术进步：研究并合成新型材料不仅可以提高SPD的性能，还能促进材料科学和电气工程领域的技术进步。
[0093]尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附实施例及其等同物限定。
说明书附图(3)
声明：
“高效能量吸收材料的制备方法及应用” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
494
编辑：北方有色网
来源：上海理工大学
咨询细节
2026年08月06日 ~ 08日 
