一种中高温纳米复合金属相变蓄热材料及其制备方法

1.本发明涉及相变材料技术领域，具体涉及一种中高温纳米复合金属相变蓄热材料及其制备方法。


背景技术：

2.相变蓄热材料是指在特定温度(即相变温度)下发生固液相变时伴随着大量吸热或放热的一种物质，具有蓄热密度大、在吸热或放热过程中近乎等温等特点，广泛应用于热流密度调节和控温领域，从而实现热流密度的削峰填谷，提高能源的利用效率。
3.按照相变材料进行分类，可分为有机相变材料、无机相变材料和复合相变材料。在实际应用中，通常也会按照工作温度对相变材料进行分类：工作温度低于120℃的为低温相变材料，高于120℃的为中高温相变材料。
4.目前，中高温相变蓄热材料常常采用熔融盐作为原料，但高温熔融盐具有腐蚀性强、固液相变过程中体积变化大和导热性能差等缺点，造成蓄热装置具有制造成本高、寿命短等缺陷。当外界工作温度高于相变蓄热材料的熔点时，储热材料就会熔化，造成流动和泄露。为此，研究工作者们常用一种高温下腐蚀性小并且熔点高于相变蓄热材料的另外一种材料作为外壳或者基体将相变蓄热材料包裹或者固定在一定的体积空间中以形成定型结构，如微胶囊封装法、多孔载体封装法等。
5.金属或金属合金熔点基本都在100℃以上甚至上千摄氏度，因此，也是中高温领域常用的储热材料。金属复合相变材料是实现中高温相变蓄热产业化较为理想的一条技术思路。相比于熔融盐，金属或者合金作为相变储热材料主要具有以下优点：(1)强的导热性和高的热导率；(2)高的熔化温度和储热密度；(3)金属单位体积潜热高，有利于减小储热设备的尺寸。目前，采用金属或合金制备相变材料主要存在显热密度低、防泄漏困难、制备工艺复杂、生产成本高、对环境污染严重等问题；另外，由于液态金属的流动性，且金属与铁基材料易发生高温反应，因此需要寻找与金属具有良好相容性的容器。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种中高温纳米复合金属相变蓄热材料及其制备方法，该方法能简化生产工艺、降低生产成本、减少对环境的污染，所制备的材料可具有高蓄热密度、高热导率、优异防漏性以及优异力学性能。
7.为了实现上述目的，本发明提供了一种中高温纳米复合金属相变蓄热材料的制备方法，包括以下步骤：
8.(1)分别将粒径为50nm的纳米铜粉和粒径为74μm的普通锡粉放入超声分散机中分散50～70min；
9.(2)分别将纳米铜粉和普通锡粉放入球磨机中，纳米铜粉与普通锡粉之间的质量比为1：(1～9)；球磨机先以100～300r/min的速度球磨50～70min，然后以50～150r/min的速度球磨50～70min，混合均匀后得到铜锡混合颗粒；
10.(3)采用冷压法以100～500mpa的压强将铜锡混合颗粒压制成型，即得铜锡复合相变蓄热材料初品；
11.(4)将铜锡复合相变蓄热材料初品放入管式炉中进行烧结，烧结温度为250～300℃，保温30～40min，再自然冷却到室温，最终得到中高温铜锡复合相变蓄热材料。
12.优选的，步骤(2)中纳米铜粉与普通锡粉之间的质量比为1：1。
13.优选的，步骤(1)中分别将纳米铜粉和普通锡粉分别放入超声分散机中分散60min。
14.优选的，步骤(2)中球磨机先以200r/min的速度球磨60min，然后以100r/min的速度球磨60min。
15.优选的，步骤(3)中的压强为136mpa。
16.优选的，步骤(4)中烧结温度为250℃，保温30min。
17.一种由上述制备方法所制备得到的中高温铜锡复合相变蓄热材料，所述中高温铜锡复合相变蓄热材料的比热容为253.96～297.67j
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kg
‑1·
k
‑1，热导率为70.92～81.71w
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m
‑1·
k
‑1。
18.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
19.(1)本发明中铜纳米颗粒的比表面积大，吸附能力强，在混合过程中能很好地吸附在锡的表面；在混合以及压片的过程中，锡粉被纳米铜粉团团包围，在狭小的空间内形成定性结构，从而达到非常好的防泄漏效果；因此，本发明所制备的相变蓄热材料在工业应用中能够达到循回往复使用的效果，大大延长了使用寿命；同时，也解决了需要寻找与金属具有良好相容性容器的问题；
20.(2)本发明中纳米铜粉的比热容相比于宏观尺度的铜材料较高，且纳米铜粉的比热容远大于锡，将纳米铜粉与锡粉混合，有效提高了本发明所制备的相变蓄热材料的单位重量比热容；材料的比热容越大，显热蓄热能力则越强；
21.(3)本发明中纳米铜粉的热导率远大于锡的热导率，将二者进行混合，有效提高了本发明所制备的相变蓄热材料的热导率，从而增加蓄热的速率；
22.(4)锡本身的硬度小，本发明在锡中参杂适当的纳米铜颗粒，可以显著改变复合相变材料的硬度；通过调控复合材料的硬度，增加其在实际应用场合中的多样性；
23.(5)本发明具有制备工艺简单、制造成本低、对环境污染小的优点。
附图说明
24.图1是本发明制备工艺流程图；
25.图2是本发明具体实施例一所制备得到的中高温铜锡复合相变蓄热材料的sem图；
26.图3是本发明具体实施案例一所制备得到的中高温铜锡复合相变蓄热材料初品的实物图；
27.图4是本发明具体实施案例一所制备得到的中高温铜锡复合相变蓄热材料的实物图。
具体实施方式
28.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
29.实施例一
30.如图1所示，一种中高温纳米复合金属相变蓄热材料的制备方法，包括以下步骤：
31.(1)分别将粒径为50nm的纳米铜粉和粒径为74μm的普通锡粉放入超声分散机中分散60min；
32.(2)分别将纳米铜粉和普通锡粉放入球磨机中，纳米铜粉与普通锡粉之间的质量比为1：1；球磨机先以200r/min的速度球磨60min，然后以100r/min的速度球磨60min，混合均匀后得到铜锡混合颗粒；
33.(3)采用冷压法以136mpa的压强将铜锡混合颗粒压制成型，即得铜锡复合相变蓄热材料初品；
34.(4)将铜锡复合相变蓄热材料初品放入管式炉中进行烧结，烧结温度为250℃，保温30min，再自然冷却到室温，最终得到中高温铜锡复合相变蓄热材料。
35.本实施例所制得的中高温铜锡复合相变蓄热材料的比热容为297.673j
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kg
‑1·
k
‑1，热导率为78.55～81.71w
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m
‑1·
k
‑1，铜锡复合相变蓄热材料初品的维氏硬度为75.9～82.2hv0.5；图2为本实施例所制备得到的相变蓄热材料的sem图，从图中可以看出，锡粉被纳米铜粉紧紧吸附，从而达到防泄漏的效果；图3和图4分别为本实施例中铜锡复合相变蓄热材料初品和中高温铜锡复合相变蓄热材料的实物图，从图中可以看出，样品表面平整光滑，样品形状棱角分明，防泄漏性能良好。由此可知，本实施例所制得的中高温铜锡复合相变蓄热材料具有储热密度大、热导率高、力学性能好以及防泄漏的特点。
36.实施例二
37.如图1所示，一种中高温纳米复合金属相变蓄热材料的制备方法，包括以下步骤：
38.(1)分别将粒径为50nm的纳米铜粉和粒径为74μm的普通锡粉放入超声分散机中分散50min；
39.(2)分别将纳米铜粉和普通锡粉放入球磨机中，纳米铜粉与普通锡粉之间的质量比为1：4；球磨机先以100r/min的速度球磨70min，然后以150r/min的速度球磨50min，混合均匀后得到铜锡混合颗粒；
40.(3)采用冷压法以100mpa的压强将铜锡混合颗粒压制成型，即得铜锡复合相变蓄热材料初品；
41.(4)将铜锡复合相变蓄热材料初品放入管式炉中进行烧结，烧结温度为280℃，保温35min，再自然冷却到室温，最终得到中高温铜锡复合相变蓄热材料。
42.本实施例所制得的中高温铜锡复合相变蓄热材料的比热容为284.36j
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kg
‑1·
k
‑1，热导率为75.72～78.52w
·
m
‑1·
k
‑1，铜锡复合相变蓄热材料初品的维氏硬度为70.0～76.2hv0.5，中高温铜锡复合相变蓄热材料表面光滑平整，未出现锡泄露的现象。由此可知，本实施例所制得的中高温铜锡复合相变蓄热材料具有储热密度大、热导率高、力学性能好以及防泄漏的特点。
43.实施例三
44.如图1所示，一种中高温纳米复合金属相变蓄热材料的制备方法，包括以下步骤：
45.(1)分别将粒径为50nm的纳米铜粉和粒径为74μm的普通锡粉放入超声分散机中分散70min；
46.(2)分别将纳米铜粉和普通锡粉放入球磨机中，纳米铜粉与普通锡粉之间的质量
比为3：7；球磨机先以300r/min的速度球磨50min，然后以50r/min的速度球磨70min，混合均匀后得到铜锡混合颗粒；
47.(3)采用冷压法以500mpa的压强将铜锡混合颗粒压制成型，即得铜锡复合相变蓄热材料初品；
48.(4)将铜锡复合相变蓄热材料初品放入管式炉中进行烧结，烧结温度为300℃，保温30min，再自然冷却到室温，最终得到中高温铜锡复合相变蓄热材料。
49.本实施例所制得的中高温铜锡复合相变蓄热材料的比热容为275.30j
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kg
‑1·
k
‑1，热导率为73.19～75.46w
·
m
‑1·
k
‑1，铜锡复合相变蓄热材料初品的维氏硬度为66.5～71.2hv0.5，中高温铜锡复合相变蓄热材料表面光滑平整，未出现锡泄露的现象。由此可知，本实施例所制得的中高温铜锡复合相变蓄热材料具有储热密度大、热导率高、力学性能好以及防泄漏的特点。
50.实施例四
51.如图1所示，一种中高温纳米复合金属相变蓄热材料的制备方法，包括以下步骤：
52.(1)分别将粒径为50nm的纳米铜粉和粒径为74μm的普通锡粉放入超声分散机中分散60min；
53.(2)分别将纳米铜粉和普通锡粉放入球磨机中，纳米铜粉与普通锡粉之间的质量比为1：9；球磨机先以200r/min的速度球磨60min，然后以100r/min的速度球磨60min，混合均匀后得到铜锡混合颗粒；
54.(3)采用冷压法以300mpa的压强将铜锡混合颗粒压制成型，即得铜锡复合相变蓄热材料初品；
55.(4)将铜锡复合相变蓄热材料初品放入管式炉中进行烧结，烧结温度为250℃，保温40min，再自然冷却到室温，最终得到中高温铜锡复合相变蓄热材料。
56.本实施例所制得的中高温铜锡复合相变蓄热材料的比热容为253.96j
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kg
‑1·
k
‑1，热导率为70.92～72.52w
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m
‑1·
k
‑1，铜锡复合相变蓄热材料初品的维氏硬度为63.3～66.5hv0.5，中高温铜锡复合相变蓄热材料表面光滑平整，未出现锡泄露的现象。由此可知，本实施例所制得的中高温铜锡复合相变蓄热材料具有储热密度大、热导率高、力学性能好以及防泄漏的特点。