本發(fā)明涉及一種具有高熱導(dǎo)率的低熔點(diǎn)相變儲(chǔ)能合金、制備工藝及應(yīng)用。屬于容器相關(guān)的相變儲(chǔ)能材料領(lǐng)域，尤其是一種兼具高儲(chǔ)能密度和高熱傳導(dǎo)率的相變合金材料。
背景技術(shù)：
新能源開(kāi)發(fā)與節(jié)能環(huán)保是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的重要議題，開(kāi)發(fā)和利用環(huán)保的新能源技術(shù)是科學(xué)研究的重要關(guān)注方向。相變儲(chǔ)能材料是環(huán)保新能源技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一，在一定的條件下，可以解決能量供求在時(shí)間和空間上不匹配矛盾，從而提高能源利用率。從原理上講，相變儲(chǔ)能材料可以在其物相變化過(guò)程中，從環(huán)境中吸收熱(冷)量或向環(huán)境中放出熱量，從而達(dá)到能量?jī)?chǔ)存和釋放及調(diào)節(jié)能量需求和供給失配的目的。
目前市場(chǎng)上主要使用的相變儲(chǔ)能材料包括無(wú)機(jī)水合鹽相變材料和有機(jī)儲(chǔ)能材料。通過(guò)不同的配方調(diào)節(jié)其相變溫度，可以應(yīng)對(duì)不同的吸熱/供熱需求。但是，這兩類傳統(tǒng)的相變儲(chǔ)能材料都有兩個(gè)明顯的缺點(diǎn)：1)熱傳導(dǎo)率過(guò)低。無(wú)機(jī)水合鹽的熱導(dǎo)率一般都低于1W/mK，而有機(jī)相變材料的熱導(dǎo)率更是不高于0.3W/mK。過(guò)低的熱導(dǎo)率將會(huì)顯著的影響該相變儲(chǔ)能材料的使用效率，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求；2)單位體積能量密度過(guò)低。由于無(wú)機(jī)水合鹽和有機(jī)相變材料的密度都比較低，單位體積的分子數(shù)量不高。單位體積的相變潛熱值一般不超過(guò)200J/cm3，對(duì)于某些對(duì)于體積要求較高的場(chǎng)合，這些傳統(tǒng)相變儲(chǔ)能材料的使用受到較多的限制。
利用低熔點(diǎn)合金作為相變儲(chǔ)能材料是最近的一個(gè)重要的研究方向，尤其是在IT制冷領(lǐng)域和一些尖端的工程器件方面。使用低熔點(diǎn)合金作為相變儲(chǔ)能材料的優(yōu)勢(shì)在于其相對(duì)極高的高熱導(dǎo)率和高單位體積相變潛熱。下表是兩種傳統(tǒng)相變材料和低熔點(diǎn)金屬作為儲(chǔ)能材料的性能參數(shù)對(duì)比。
在民用產(chǎn)品領(lǐng)域，相變儲(chǔ)能材料在水杯方面的設(shè)計(jì)和應(yīng)用已經(jīng)展開(kāi)，市場(chǎng)上已經(jīng)有多款該類產(chǎn)品的推廣，比如55度杯。依米康等公司提出了使用鎵基液態(tài)金屬作為相變儲(chǔ)能材料。但是他們并沒(méi)有提出具體的配方，而且鎵基液態(tài)合金本身價(jià)格較高，且在也液態(tài)下對(duì)幾乎所有的金屬都存在腐蝕作用，帶來(lái)一定的安全隱患。開(kāi)發(fā)符合相變儲(chǔ)能水杯需求的具有合適相變溫度、高儲(chǔ)能密度和熱導(dǎo)率，且價(jià)格低廉、安全環(huán)保的低熔點(diǎn)相變儲(chǔ)能合金顯得十分必要。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是：針對(duì)上述存在的問(wèn)題，提供一種具有高熱導(dǎo)率的低熔點(diǎn)相變儲(chǔ)能合金、制備工藝及應(yīng)用。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：具有高熱導(dǎo)率的低熔點(diǎn)相變儲(chǔ)能合金，它由以下重量百分比的組份組成：
錫Sn 13.5％～15.0％；
銦In 7.5％～9.5％；
鉛Pb 23.7％～25.8％；
鎘Cd 7.8％～9.5％；
鉍Bi 40.0％～45.0％；
銅Cu 0.2％～0.8％。
所述銅為粉體狀態(tài)，其顆粒直徑為20～2000納米，優(yōu)選直徑為20～500納米。
所述合金的熔化溫度在53到75攝氏度之間，單位體積儲(chǔ)能密度達(dá)到300-350J/cm3，熱導(dǎo)率達(dá)到35-50W/mK。
具有高熱導(dǎo)率的低熔點(diǎn)相變儲(chǔ)能合金的制備工藝：按前述配比稱取各組分，將稱取所得錫、銦、鉛、鎘、鉍放入真空感應(yīng)熔煉爐，在隔絕空氣條件下，加熱使各金屬熔化均勻成整體；熔煉完成后，降溫至室溫，然后從熔煉爐中取出熔煉獲得的合金，并對(duì)其進(jìn)行加熱至80～100攝氏度，使其再次熔化；向再次熔化后的合金加入稱取所得銅粉，攪拌均勻，直至合金冷卻凝固。
所述隔絕空氣的方式具體為：對(duì)真空感應(yīng)熔煉爐進(jìn)行抽真空處理使?fàn)t內(nèi)壓強(qiáng)低于5*10-3Pa，然后向真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)加入惰性氣體作為保護(hù)氣體，加壓至0.5-0.8個(gè)大氣壓。
從熔煉爐中取出熔煉獲得的合金，并對(duì)其進(jìn)行加熱至80～100攝氏度，其中加熱方式為水浴加熱或電阻絲加熱。
一種采用前述制備工藝制得的具有高熱導(dǎo)率的低熔點(diǎn)相變儲(chǔ)能合金。
所述合金的熔化溫度在53到75攝氏度之間，單位體積儲(chǔ)能密度達(dá)到300-350J/cm3，熱導(dǎo)率達(dá)到35-50W/mK。
一種前述具有高熱導(dǎo)率的低熔點(diǎn)相變儲(chǔ)能合金的應(yīng)用，其特征在于：所述具有高熱導(dǎo)率的低熔點(diǎn)相變儲(chǔ)能合金用作相變儲(chǔ)能杯的相變材料。
本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明獲得合金材料，其熔化溫度在53到75度之間，符合當(dāng)前很多民用快冷或保溫容器的儲(chǔ)能和加熱需求；該相變合金的凝固和熔化相變過(guò)程中的潛熱達(dá)到50J/g以上，單位體積儲(chǔ)能密度達(dá)到300J/cm3以上，可以隨著環(huán)境溫度變化吸收或釋放能量；本發(fā)明合金的液相熱導(dǎo)率達(dá)到35W/mK以上，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的相變材料。本發(fā)明的合金可作為相變儲(chǔ)能杯等產(chǎn)品的相變材料推廣使用。銅粉作為低熔點(diǎn)相變儲(chǔ)能合金的形核劑，促進(jìn)合金的凝固，使得凝固與熔化相變熱滯在較小的范圍，有利于相變溫度的精確控制。
附圖說(shuō)明
圖1是四組實(shí)施例的熱分析數(shù)據(jù)圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明通過(guò)分析Sn-In的三元合金相圖，并結(jié)合熱力學(xué)設(shè)計(jì)加入Bi元素進(jìn)一步調(diào)整合金的相變溫度，加入Cd元素則可以改善合金的熱導(dǎo)率，加入Pb元素用于調(diào)節(jié)合金的密度，使其與銅的密度接近。最后加入固態(tài)銅粉進(jìn)一步提高合金的熱導(dǎo)率，銅的熱導(dǎo)率可以達(dá)到397W/mK，是最有性價(jià)比的導(dǎo)熱材料，關(guān)鍵在于使銅粉均勻分布在合金基體，即使在液態(tài)下，銅粉能夠保持懸浮狀態(tài)均勻分布。銅粉作為低熔點(diǎn)合金的形核劑，促進(jìn)合金的凝固，使得凝固與熔化相變熱滯在較小的范圍，有利于相變溫度的精確控制。
實(shí)施例1
本實(shí)施例具有高熱導(dǎo)率的低熔點(diǎn)相變儲(chǔ)能合金的組分及配比(重量百分比)如下：
Sn，14.7％；
In，8.2％；
Pb，24.3％；
Cd，8.0％；
Bi，44.5％；
納米銅粉體，顆粒平均尺寸約為80納米，占整體重量比的0.3％。
首先將按照上述配比配好的Sn、In、Pb、Cd、Bi放入真空感應(yīng)熔煉爐的熔煉坩堝，關(guān)閉爐門，對(duì)真空感應(yīng)熔煉爐進(jìn)行抽真空處理，使?fàn)t內(nèi)壓強(qiáng)低于5*10-3Pa。然后向真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)加入氮?dú)?或者氬氣)作為保護(hù)氣體，加壓至0.5個(gè)大氣壓，開(kāi)始通電熔煉。熔煉溫度達(dá)到500度時(shí)，合金即可完全融化，立刻關(guān)閉加熱電源。熔煉完畢后，降溫至室溫狀態(tài)，然后從爐中取出熔煉獲得的合金，該Sn-In-Pb-Cd-Bi五元合金的熔化溫度為56度，室溫下呈固態(tài)。隨后將五元合金通過(guò)水浴加熱至85度，使其再次熔化，加入預(yù)備好的銅粉(按照上述配比配好)，并用玻璃棒攪拌均勻，同時(shí)水浴自然冷卻，直至合金冷卻凝固，即可得到具有高熱導(dǎo)率的低熔點(diǎn)相變儲(chǔ)能合金。
所述具有高熱導(dǎo)率的低熔點(diǎn)相變儲(chǔ)能合金用作相變儲(chǔ)能杯的相變材料。
實(shí)施例2
本實(shí)施例具有高熱導(dǎo)率的低熔點(diǎn)相變儲(chǔ)能合金的組分及配比(重量百分比)如下：
Sn，13.7％；
In，8.9％；
Pb，23.9％；
Cd，8.8％；
Bi，44.2％；
納米銅粉體，顆粒平均尺寸約為80納米，占整體重量比的0.5％。
首先將按照上述配比配好的Sn、In、Pb、Cd、Bi放入真空感應(yīng)熔煉爐的熔煉坩堝，關(guān)閉爐門，對(duì)真空感應(yīng)熔煉爐進(jìn)行抽真空處理，使?fàn)t內(nèi)壓強(qiáng)低于3.5*10-3Pa。然后向真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)加入氮?dú)?或者氬氣)作為保護(hù)氣體，加壓至0.6個(gè)大氣壓，開(kāi)始通電熔煉。熔煉溫度達(dá)到530度時(shí)，合金即可完全融化，立刻關(guān)閉加熱電源。熔煉完畢后，降溫至室溫狀態(tài)，然后從爐中取出熔煉獲得的合金，該Sn-In-Pb-Cd-Bi五元合金的熔化溫度為58度，室溫下呈固態(tài)。隨后將五元合金通過(guò)水浴加熱至80度，使其再次熔化，加入預(yù)備好的銅粉(按照上述配比配好)，并用玻璃棒攪拌均勻，同時(shí)水浴自然冷卻，直至合金冷卻凝固，即可得到具有高熱導(dǎo)率的低熔點(diǎn)相變儲(chǔ)能合金。
所述具有高熱導(dǎo)率的低熔點(diǎn)相變儲(chǔ)能合金用作相變儲(chǔ)能杯的相變材料。
實(shí)施例3
本實(shí)施例具有高熱導(dǎo)率的低熔點(diǎn)相變儲(chǔ)能合金的組分及配比(重量百分比)如下：
Sn，14.8％；
In，9.3％；
Pb，24.1％；
Cd，9.3％；
Bi，41.9％；
納米銅粉體，顆粒平均尺寸約為120納米，占整體重量比的0.6％。
首先將按照上述配比配好的Sn、In、Pb、Cd、Bi放入真空感應(yīng)熔煉爐的熔煉坩堝，關(guān)閉爐門，對(duì)真空感應(yīng)熔煉爐進(jìn)行抽真空處理，使?fàn)t內(nèi)壓強(qiáng)低于3.0*10-3Pa。然后向真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)加入氮?dú)?或者氬氣)作為保護(hù)氣體，加壓至0.5個(gè)大氣壓，開(kāi)始通電熔煉。熔煉溫度達(dá)到520度時(shí)，合金即可完全融化，立刻關(guān)閉加熱電源。熔煉完畢后，降溫至室溫狀態(tài)，然后從爐中取出熔煉獲得的合金，該Sn-In-Pb-Cd-Bi五元合金的熔化溫度為62.5度，室溫下呈固態(tài)。隨后將五元合金通過(guò)水浴加熱至85度，使其再次熔化，加入預(yù)備好的銅粉(按照上述配比配好)，并用玻璃棒攪拌均勻，同時(shí)水浴自然冷卻，直至合金冷卻凝固，即可得到具有高熱導(dǎo)率的低熔點(diǎn)相變儲(chǔ)能合金。
所述具有高熱導(dǎo)率的低熔點(diǎn)相變儲(chǔ)能合金用作相變儲(chǔ)能杯的相變材料。
實(shí)施例4
本實(shí)施例具有高熱導(dǎo)率的低熔點(diǎn)相變儲(chǔ)能合金的組分及配比(重量百分比)如下：
Sn，13.6％；
In，7.8％；
Pb，25.5％；
Cd，8.5％；
Bi，44.2％；
納米銅粉體，顆粒平均尺寸約為80納米，占整體重量比的0.4％。
首先將按照上述配比配好的Sn、In、Pb、Cd、Bi放入真空感應(yīng)熔煉爐的熔煉坩堝，關(guān)閉爐門，對(duì)真空感應(yīng)熔煉爐進(jìn)行抽真空處理，使?fàn)t內(nèi)壓強(qiáng)低于3.5*10-3Pa。然后向真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)加入氮?dú)?或者氬氣)作為保護(hù)氣體，加壓至0.5個(gè)大氣壓，開(kāi)始通電熔煉。熔煉溫度達(dá)到490度時(shí)，合金即可完全融化，立刻關(guān)閉加熱電源。熔煉完畢后，降溫至室溫狀態(tài)，然后從爐中取出熔煉獲得的合金，該Sn-In-Pb-Cd-Bi五元合金的熔化溫度為72.2度，室溫下呈固態(tài)。隨后將五元合金通過(guò)水浴加熱至90度，使其再次熔化，加入預(yù)備好的銅粉(按照上述配比配好)，并用玻璃棒攪拌均勻，同時(shí)水浴自然冷卻，直至合金冷卻凝固，即可得到具有高熱導(dǎo)率的低熔點(diǎn)相變儲(chǔ)能合金。
所述具有高熱導(dǎo)率的低熔點(diǎn)相變儲(chǔ)能合金用作相變儲(chǔ)能杯的相變材料。
對(duì)上述各實(shí)施例獲得的合金各項(xiàng)性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得的數(shù)據(jù)見(jiàn)下表：
圖1中自上而下依次為實(shí)施例4、3、2、1的熱分析數(shù)據(jù)。
本發(fā)明合金的特點(diǎn)在于其熔化溫度在53到75度之間；凝固和熔化相變過(guò)程中的潛熱大，均達(dá)到50J/g以上，單位體積儲(chǔ)能密度達(dá)到300J/cm3，隨著環(huán)境溫度變化吸收或釋放能量；且熱導(dǎo)率達(dá)到35W/mK以上；符合當(dāng)前很多民用快冷或保溫容器的儲(chǔ)能和加熱需求，可作為相變儲(chǔ)能杯等產(chǎn)品的相變材料推廣使用。