• 
    

    
    

      99热精品在线国产_美女午夜性视频免费_国产精品国产高清国产av_av欧美777_自拍偷自拍亚洲精品老妇_亚洲熟女精品中文字幕_www日本黄色视频网_国产精品野战在线观看 ?

      鋁基金屬相變儲(chǔ)熱材料的研究進(jìn)展

      2022-08-29 12:55:38鄧天鑫欒道成胡志華左城銘周新宇王正云
      中國(guó)材料進(jìn)展 2022年8期
      關(guān)鍵詞:熱循環(huán)潛熱儲(chǔ)熱

      鄧天鑫,欒道成,胡志華,任 陽(yáng),左城銘,李 緣,周新宇,王正云

      (西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,四川 成都 610039)

      1 前 言

      隨著能源消耗的不斷增加,人們對(duì)不可再生能源能否長(zhǎng)時(shí)間供應(yīng)這一問(wèn)題愈發(fā)擔(dān)憂,提高能源利用率被我國(guó)列為保障能源供應(yīng)安全的重要戰(zhàn)略手段。目前,熱能的儲(chǔ)存對(duì)解決能源獲取方式的間歇性和波動(dòng)性、能量生產(chǎn)與社會(huì)能耗在時(shí)間和空間不匹配的矛盾具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。對(duì)于熱能的存儲(chǔ),主要方式有顯熱儲(chǔ)熱、熱化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱和潛熱儲(chǔ)熱(相變儲(chǔ)熱),圖1為顯熱儲(chǔ)熱和潛熱儲(chǔ)熱的相應(yīng)物相狀態(tài)與儲(chǔ)熱原理示意圖。在上述3種方式中,顯熱儲(chǔ)熱是通過(guò)材料本身溫度的升高増加內(nèi)能而儲(chǔ)熱,但是其儲(chǔ)熱性能不理想,能量釋放控制困難且不穩(wěn)定;熱化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱是利用可逆化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng),通過(guò)化學(xué)反應(yīng)的正向和逆向進(jìn)行來(lái)實(shí)現(xiàn)熱能的存儲(chǔ)與釋放,其過(guò)程復(fù)雜且具有危險(xiǎn)性;相變儲(chǔ)熱是利用材料在發(fā)生幾乎沒(méi)有溫度變化的相變時(shí)所吸收或釋放的熱能來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)與釋放,其輸出的溫度和能量穩(wěn)定、儲(chǔ)熱密度大,是目前綜合考慮各方面因素后最為理想的儲(chǔ)熱方式[2, 3]。

      圖1 物相狀態(tài)與儲(chǔ)熱原理圖

      相變儲(chǔ)熱技術(shù)以相變儲(chǔ)熱材料為基礎(chǔ),利用材料的相變平穩(wěn)地儲(chǔ)存或釋放熱能,圖2為多元相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)儲(chǔ)放熱工作的原理圖,其中Tm代表熔化溫度。作為儲(chǔ)熱系統(tǒng)的核心,相變儲(chǔ)熱材料可大致分為有機(jī)相變儲(chǔ)熱材料、無(wú)機(jī)相變儲(chǔ)熱材料和復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料[4, 5]。有機(jī)相變儲(chǔ)熱材料主要包括石蠟、有機(jī)酸、醇和其他有機(jī)物,其相變溫度一般處于低溫工作區(qū)域;無(wú)機(jī)相變儲(chǔ)熱材料主要包括結(jié)晶水合鹽、金屬和金屬合金及其他無(wú)機(jī)物;復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料則是一種主要采用網(wǎng)格狀金屬作為儲(chǔ)熱材料基體(既起固定作用,又可提高傳熱效率)、無(wú)機(jī)或有機(jī)相變儲(chǔ)熱材料作為填充物的混合材料,但目前其合成技術(shù)尚未成熟,運(yùn)用不是很廣泛[6, 7]。金屬及其合金作為相變儲(chǔ)熱材料使用時(shí)具有相變溫度較高、相變潛熱大、導(dǎo)熱系數(shù)高、儲(chǔ)能密度大、相變體積變化小、幾乎無(wú)過(guò)冷度和價(jià)格合適等優(yōu)點(diǎn)[8],其中,鋁基金屬相變儲(chǔ)熱材料的研究最為廣泛。在507~577 ℃的相變溫度范圍內(nèi),多種富含Al,Si元素的合金擁有約500 kJ·kg-1的儲(chǔ)熱密度,表明其具有高的質(zhì)量?jī)?chǔ)能密度[9]。因此,總結(jié)鋁基金屬相變儲(chǔ)熱材料前期的研究方向及進(jìn)展,對(duì)于促進(jìn)中高溫金屬相變儲(chǔ)熱材料的研究具有較為重要的指導(dǎo)意義與參考價(jià)值。

      圖2 多元相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)儲(chǔ)放熱工作原理圖(Tm1

      2 鋁基金屬相變儲(chǔ)熱材料研究現(xiàn)狀

      1976年,Birchenall等[10]最先將金屬合金作為相變儲(chǔ)熱材料來(lái)進(jìn)行儲(chǔ)熱,為金屬相變儲(chǔ)熱材料的推廣與應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。一般來(lái)說(shuō),金屬相變儲(chǔ)熱材料的相變潛熱可達(dá)400~510 kJ·kg-1,而無(wú)機(jī)水合鹽和有機(jī)酸的相變潛熱在100~300 kJ·kg-1,因此金屬相變儲(chǔ)熱材料在中高溫使用區(qū)間有著很好的應(yīng)用前景[11-13]。由于地球上所蘊(yùn)含的Al資源豐富,且相比其他相變材料,鋁基金屬相變材料的儲(chǔ)熱性能優(yōu)勢(shì)明顯。因此,在現(xiàn)階段的金屬相變儲(chǔ)熱材料研究中,鋁基金屬相變材料的研究最為廣泛,主要包括鋁基金屬相變材料制備工藝、儲(chǔ)熱性能、熱循環(huán)性能以及其與盛裝容器的相容性。

      2.1 鋁基金屬相變材料制備工藝研究

      相變儲(chǔ)熱材料的制備工藝會(huì)在一定程度上影響材料成分的最終組成和均勻性,進(jìn)而對(duì)材料的儲(chǔ)熱性能產(chǎn)生影響。由于金屬合金材料一般采用熔煉的方法進(jìn)行制備,材料在制備過(guò)程中的損耗及氧化是材料成分產(chǎn)生變化的關(guān)鍵因素。采用何種制備工藝來(lái)有效減少材料在制備過(guò)程中的損耗和氧化,并使材料成分均勻分布,這對(duì)所制備材料的準(zhǔn)確成分及性能是非常重要的。

      在材料的熔煉過(guò)程中,隨著熔煉溫度的升高,金屬的氧化和消耗越發(fā)嚴(yán)重。在較低溫度下,金屬的氧化多按拋物線規(guī)律進(jìn)行;在較高溫度下,金屬的氧化多按直線規(guī)律進(jìn)行。由此,研究鋁基金屬相變材料的抗氧化性能對(duì)其在高溫條件下能否長(zhǎng)時(shí)間保持良好使用性能尤為重要。王斌等[14]研究了不同成分鋁合金的氧化速率,發(fā)現(xiàn)鋁合金在氧化膜完全形成之前氧化速率較快,氧化膜形成之后氧化速率逐漸減慢并趨于穩(wěn)定。當(dāng)Al含量達(dá)到8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)后,隨著Al含量的提高,合金氧化速率在穩(wěn)定之后出現(xiàn)降低。陳楨干[15]研究了Al-Cu-Si合金的高溫氧化性能,分析了該合金的氧化機(jī)理,包括其氧化過(guò)程中的質(zhì)量變化、物相變化、金相組織變化等。結(jié)果表明,在96 h氧化過(guò)程中,該合金的氧化率會(huì)隨著氧化的進(jìn)行不斷增加,但氧化速率卻會(huì)逐漸降低;在此過(guò)程中,基體表面的Al氧化速率較快,Cu氧化速率較慢,而Si幾乎未發(fā)生氧化,最終導(dǎo)致合金中Al2O3和CuO的生成。張仁元等[16]研究了Si含量為10%~13%的Al-Si合金的氧化性,結(jié)果表明,在空氣中經(jīng)幾百小時(shí)的高溫氧化后,該合金氧化率小于0.01%,此氧化結(jié)果對(duì)于合金材料成分的影響可以忽略不計(jì)。

      同時(shí),在熔煉制備的過(guò)程中,由于合金本身物理性能及制備操作等因素的影響經(jīng)常會(huì)造成鋁基金屬相變材料成分的損耗,進(jìn)而導(dǎo)致其成分偏離設(shè)計(jì)。目前通常的做法是通過(guò)制備中間合金或增加易損金屬含量的方式來(lái)進(jìn)行彌補(bǔ)。宮殿清[17]采用金屬型鑄造方法,通過(guò)含Mg單質(zhì)和不含Mg單質(zhì)的方式來(lái)進(jìn)行Al-Si-Cu-Mg-Zn樣品的制備,并利用等離子光譜分析結(jié)果與成分設(shè)計(jì)方案,發(fā)現(xiàn)采用上述不同方法制備出的樣品成分變化不大。由于Mg單質(zhì)具有一定的揮發(fā)性,在含Mg單質(zhì)的樣品制備過(guò)程中采用先熔化其它爐料再加入鎂錠或用鋁箔包裹保護(hù)鎂錠的方法可有效減少M(fèi)g的損失。此外,熔煉時(shí)使用含Mg單質(zhì)的變質(zhì)劑可以起到給鋁合金儲(chǔ)熱材料補(bǔ)充Mg的作用。何高[18]在Al-Cu-Mg-Zn共晶合金制備過(guò)程中提前考慮元素的燒損,采用中間合金熔煉及補(bǔ)充元素?zé)龘p量的方式來(lái)進(jìn)行該共晶合金的制備,鋁合金熔煉過(guò)程中各元素的經(jīng)驗(yàn)燒損量如表1所示。研究按照合金的配比和元素的燒損量分別稱取相應(yīng)質(zhì)量的合金樣品,并進(jìn)行預(yù)熱處理烘干其水分,熔煉后的合金利用X射線光譜分析合金成分,發(fā)現(xiàn)其偏離了設(shè)計(jì)成分,接著利用合金元素的補(bǔ)料和沖淡計(jì)算進(jìn)行成分調(diào)整,最后經(jīng)過(guò)X射線熒光光譜儀分析發(fā)現(xiàn),其成分基本符合設(shè)計(jì)要求[18]。

      表1 鋁合金熔煉過(guò)程中各元素的經(jīng)驗(yàn)燒損量[18]

      2.2 鋁基金屬相變材料儲(chǔ)熱性能研究

      儲(chǔ)熱性能是相變儲(chǔ)熱材料最為重要的特性之一,對(duì)鋁基相變材料儲(chǔ)熱性能的研究是衡量其性能優(yōu)劣的重要手段。鋁基相變材料的相變溫度、儲(chǔ)熱密度、導(dǎo)熱系數(shù)以及儲(chǔ)熱性能穩(wěn)定性分別決定了其適用性、儲(chǔ)熱能力、熱交換效率以及使用壽命。

      鋁基金屬相變儲(chǔ)熱材料的研究始于20世紀(jì)80年代初期,Birchenall等[19]比較系統(tǒng)地對(duì)比研究了金屬類與鹽類相變儲(chǔ)熱材料的熱物理性能、使用成本等。結(jié)果表明,在負(fù)載和空載溫度變化較大、空載時(shí)間較短的情況下,相比鹽類相變儲(chǔ)熱材料,金屬相變儲(chǔ)熱材料的儲(chǔ)熱性能更加優(yōu)秀。之后,含有Si,Cu,Mg和Zn等元素的二元和多元鋁合金的熱物理性能得到了廣泛的研究。Cherneeva等[20]分別對(duì)Al-Zn、Al-Si、Al-Ni、Al-Si-Cu、Al-Si-Mg-Cu等共晶合金以及Al-Si-Mg、Al-Si-Ni等合金的熱物性進(jìn)行了研究。圖3列舉了部分鋁基相變儲(chǔ)熱材料的儲(chǔ)熱性能。將研究的鋁基相變儲(chǔ)熱材料實(shí)驗(yàn)結(jié)果與無(wú)機(jī)鹽相變儲(chǔ)熱材料進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)在高溫情況下,鋁基金屬相變儲(chǔ)熱材料的儲(chǔ)能性能、熱穩(wěn)定性和熱導(dǎo)率都要優(yōu)于無(wú)機(jī)鹽相變儲(chǔ)熱材料。

      圖3 部分鋁基相變儲(chǔ)熱材料的儲(chǔ)熱性能[20]

      Achard等[21, 22]在對(duì)鋁基相變儲(chǔ)熱材料及其熱導(dǎo)率的研究中發(fā)現(xiàn),Al-35Mg和Al-68Mg合金的儲(chǔ)熱溫度在450 ℃左右時(shí),Al-Mg合金的固液相變潛熱優(yōu)于其它眾多材料,成為該溫度段較為合適的儲(chǔ)熱材料。Risue等[23]研究了2種三元共晶合金70Mg-24.9Zn-5.1Al和85.8Zn-8.2Al-6Mg在聚光太陽(yáng)能發(fā)電(concentrating solar power,CSP)應(yīng)用中潛在的熱能儲(chǔ)存應(yīng)用,研究表明,70Mg-24.9Zn-5.1Al共晶合金與用于建造熱能儲(chǔ)罐的不銹鋼具有完全的化學(xué)兼容性。

      從20世紀(jì)90年代開(kāi)始,我國(guó)一些學(xué)者也對(duì)鋁基金屬相變儲(chǔ)熱材料進(jìn)行了一系列的研究,其中針對(duì)Al-Cu及Al-Si相變儲(chǔ)熱材料的研究較多。對(duì)于金屬相變儲(chǔ)熱材料的儲(chǔ)熱性能,張仁元等[24, 25]通過(guò)大量的試驗(yàn)與理論研究表明,在中高溫相變儲(chǔ)熱應(yīng)用中,金屬材料的儲(chǔ)熱性能相較于有機(jī)材料和無(wú)機(jī)鹽擁有明顯的優(yōu)勢(shì),同時(shí)其性價(jià)比高、相變穩(wěn)定性好、使用壽命長(zhǎng)。

      2.2.1 Al-Cu相變材料儲(chǔ)熱性能研究

      由于Cu具有良好的導(dǎo)熱性能與儲(chǔ)熱性能,研究人員針對(duì)Al-Cu二元及多元合金作為相變儲(chǔ)熱材料進(jìn)行了大量的研究。程曉敏等[26, 27]和張適闊[28]對(duì)不同Cu含量的Al-Cu二元合金儲(chǔ)熱性能進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果表明,隨著Cu含量的逐漸增加,Al-Cu合金的凝固潛熱逐漸下降。隨著研究不斷的深入,添加其它金屬元素對(duì)鋁基相變材料影響的研究也逐步得到開(kāi)展。邢麗婧[29]通過(guò)高溫熔煉制備了多種鋁基二元和三元相變儲(chǔ)熱材料,研究表明,高溫下隨著Cu含量升高,Al-Cu二元合金的導(dǎo)熱系數(shù)先增大再減小,Al-Cu-Zn三元合金的導(dǎo)熱系數(shù)先減小再增大;此外,Zn元素的添加也會(huì)對(duì)Al-Cu合金單位質(zhì)量總儲(chǔ)熱產(chǎn)生影響,影響的大小與Cu含量有關(guān)。在其研究的儲(chǔ)熱材料中,Al-19.7Si合金儲(chǔ)熱密度最大,熔點(diǎn)范圍為587.1~597.1 ℃,熔化潛熱為370.7 kJ·kg-1;Al-4.91Cu-5.04Zn熔化潛熱次之,熔點(diǎn)范圍為626.7~646.9 ℃,熔化潛熱為335.3 kJ·kg-1。孫建強(qiáng)等[30]對(duì)相變儲(chǔ)熱材料Al-34Mg-6Zn和Al-28Mg-14Zn的熱物理性能參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比測(cè)定,結(jié)果表明,這2種合金在相變開(kāi)始之前,比熱容均隨溫度升高而增大,熔化溫度以及熔化潛熱分別為454和447 ℃以及314.4和303.2 kJ·kg-1。

      2.2.2 Al-Si相變材料儲(chǔ)熱性能研究

      Si的儲(chǔ)能密度高達(dá)1788 kJ·kg-1,Al-Si基相變儲(chǔ)熱材料的相變潛熱為500 kJ·kg-1左右,共晶溫度為577 ℃左右,相比鹽類相變儲(chǔ)熱材料,其對(duì)盛裝容器的腐蝕小、過(guò)冷度小、價(jià)格適中,是目前較為理想的一類金屬相變儲(chǔ)熱材料[31, 32]。作為相變儲(chǔ)熱材料應(yīng)用的鋁硅基合金主要包含Al-Si、Al-Si-Cu、Al-Si-Mg等系列。

      黃志光等[33]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),Al-Si合金的固態(tài)比熱隨合金中Si含量的升高而下降,但其相變潛熱卻隨Si含量的升高而提高,實(shí)驗(yàn)測(cè)定的Al-Si合金、Al-Si-Cu合金、Al-Si-Mg合金、Al基合金和Zn基合金的熱物理性能,表2列舉了部分硅鋁基相變儲(chǔ)熱材料的儲(chǔ)熱性能。通過(guò)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn),A1-Si-Cu合金的儲(chǔ)熱性能較穩(wěn)定,Al-Si-Mg合金的儲(chǔ)熱性能較好,A1-Si合金則兼具使用壽命長(zhǎng)和儲(chǔ)熱性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。

      表2 部分鋁硅基相變儲(chǔ)熱材料的儲(chǔ)熱性能[31-37]

      陳觀生等[34]對(duì)Si含量分別為13%,17%和21%的Al-Si合金的儲(chǔ)熱性能進(jìn)行了研究,同時(shí)對(duì)Al-13Si合金的儲(chǔ)/放熱過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究發(fā)現(xiàn),隨著熱循環(huán)次數(shù)的增加,Al-13Si合金的熔化潛熱、熔化溫度、熱導(dǎo)率及線膨脹系數(shù)等性能參數(shù)均較為穩(wěn)定。鄒向等[35]研究發(fā)現(xiàn),Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%、相變溫度為575 ℃的Al-Si合金在經(jīng)過(guò)720次熔化和凝固熱循環(huán)后,相變潛熱值由最初的505下降到452 kJ·kg-1,降幅僅為10.5%,且循環(huán)后相變溫度基本保持穩(wěn)定。Wang等[36]研究了4種不同的Al-Si二元合金材料的熱物理性能,結(jié)果表明,Al-12.2Si、Al-20Si、Al-30Si和Al-40Si二元合金的相變溫度均在580 ℃左右,相變潛熱分別為499,553,644和721 kJ·kg-1。

      胡加瑞等[37]制備了不同成分含量的Al-Si及Al-Si-Mg-Cu合金,結(jié)果表明,Al-Si共晶合金的相變潛熱比Al-Si-Mg-Cu合金的更高。宮殿清[17]制備了不同成分含量的Al-Si-Cu-Mg-Zn合金相變儲(chǔ)熱材料,研究表明,在大多數(shù)鋁合金儲(chǔ)熱材料中,共晶成分的Al-Si合金儲(chǔ)熱材料的相變潛熱最大,約為450 kJ·kg-1,Mg和Zn含量的增加可以降低鋁合金儲(chǔ)熱材料的相變溫度,Cu和Zn含量的增加反而使鋁合金儲(chǔ)熱材料的相變溫度提高。

      Nan等[38, 39]制備了一種Al/Al2O3核殼微膠囊化相變材料。結(jié)果表明,鋁基微膠囊化相變儲(chǔ)熱材料具有熔點(diǎn)高、儲(chǔ)熱能力強(qiáng)、過(guò)冷度小等優(yōu)點(diǎn)。郭軍[40]和Zou等[41]研究了Al-Si合金核殼結(jié)構(gòu)相變儲(chǔ)能材料的儲(chǔ)熱性能,研究表明,這種新型Al-Si復(fù)合材料是一種極具應(yīng)用前景的高溫儲(chǔ)熱材料,可直接用于沒(méi)有容器的儲(chǔ)熱領(lǐng)域。

      2.3 鋁基金屬相變材料的熱循環(huán)性能研究

      相變儲(chǔ)熱材料在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中會(huì)被長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)使用,其在相應(yīng)工作溫度條件下的熱循環(huán)儲(chǔ)熱性能變化對(duì)于相變儲(chǔ)熱材料的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定使用尤為重要。

      Elena等[42]研究了0.1Al-71Mg-28.9Zn、5.1Al-70Mg-24.9Zn和5.6Al-70Mg-24.4Zn這3種合金的循環(huán)穩(wěn)定性,研究表明,其中的5.1Al-70Mg-24.9Zn共晶合金在經(jīng)700次熱循環(huán)后表現(xiàn)出很好的熱物理性能穩(wěn)定性。何高[18]、李元元等[43]和陳舉飛[44]對(duì)Al-Cu-Mg-Zn合金相變儲(chǔ)熱材料進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,熱循環(huán)前該合金的密度為3.1258 g·cm-3,相變溫度和相變潛熱為475.1 ℃和234.91 kJ·kg-1;隨著熱循環(huán)次數(shù)的增加,該合金的相變溫度逐漸升高,熱導(dǎo)率隨著溫度的升高而逐漸增大。Sun等[45]研究了Al-34Mg-6Zn合金的熱循環(huán)穩(wěn)定性,在經(jīng)過(guò)1000次熱循環(huán)后,該合金的相變潛熱和相變溫度仍然保持在320 kJ·kg-1和450 ℃左右,表明其具有良好的熱穩(wěn)定性。Liu等[46]通過(guò)一系列從頭算分子動(dòng)力學(xué)(Ab initio molecular dynamics,AIMD)仿真研究了過(guò)量Al對(duì)Al-Sb合金系統(tǒng)熱穩(wěn)定性和相變速度的影響。數(shù)據(jù)表明,過(guò)量的Al有助于Sb原子周圍Al原子的增加,對(duì)于促進(jìn)Al-Sb體系熱穩(wěn)定性的提高具有重要的作用。沈?qū)W忠[47]對(duì)Al-Si共晶合金進(jìn)行了1800次熱循環(huán)后,發(fā)現(xiàn)Al-Si共晶合金的熔點(diǎn)溫度升高了0.42%,相變潛熱降低了4.7%。

      2.4 鋁基金屬相變材料與存儲(chǔ)容器的相容性研究

      相變儲(chǔ)熱材料在長(zhǎng)期儲(chǔ)/放熱過(guò)程中會(huì)與所盛裝容器發(fā)生一定的反應(yīng),導(dǎo)致容器材料易受腐蝕且反應(yīng)生成污染相變材料的生成物。鋁基相變儲(chǔ)熱材料的工作溫度普遍較高,且腐蝕性較強(qiáng),容易導(dǎo)致容器被破壞,影響儲(chǔ)熱系統(tǒng)的使用。

      研究表明,在高溫時(shí),Al液的化學(xué)活性較強(qiáng),易與鐵基容器容發(fā)生浸潤(rùn),Al原子會(huì)吸附在鐵基容器表面,并發(fā)生反應(yīng),生成FeAl3相;接著Fe,Al原子與FeAl3分子層產(chǎn)生相互作用,由于Fe,Al原子的相互擴(kuò)散要穿過(guò)FeAl3相,F(xiàn)eAl3相和Fe原子的相互擴(kuò)散使得擴(kuò)散層發(fā)生相組織改變,F(xiàn)eAl3相開(kāi)始部分轉(zhuǎn)變?yōu)镕e2Al5相,此外,Al原子沿Fe2Al5相的C軸方向擴(kuò)散最快,使得Fe2Al5相具有平行條狀結(jié)構(gòu),并且Fe2Al5相疏松而且很脆,易剝落和溶解[48];由于FeAl3和Fe2Al5兩相組織結(jié)構(gòu)不相同,使得物相轉(zhuǎn)變后存在應(yīng)力,在這種組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力作用下,F(xiàn)e2Al5相會(huì)先部分剝落和溶解,剝落后暴露出新的鐵基體,新的鐵基體和鋁液再接觸,又重新形成FeAl3相,如此循環(huán),最終鐵基容器會(huì)被Al液慢慢腐蝕,影響儲(chǔ)熱系統(tǒng)的使用。調(diào)整容器材料的合金成分以及對(duì)容器進(jìn)行表面處理都是提高鋁基相變材料與容器相容性的有效途徑。

      黃昕[49]研究了Al-Mg-Cu-Zn-Si儲(chǔ)熱合金液對(duì)20鋼、A3鋼、18Cr9Ni不銹鋼和0Cr25Ni20不銹鋼的高溫腐蝕。在500 ℃下,上述材料浸蝕層的平均增長(zhǎng)速率依次為0.187,0.184,0.113和0.110 μm·h-1;浸蝕1000 h后,碳鋼腐蝕層呈松散鋸齒形帶狀,而不銹鋼的腐蝕層呈致密平整帶狀。何高[18]研究了陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管在熔融Al-Cu-Mg-Zn共晶合金液中的耐腐蝕性能,發(fā)現(xiàn)陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管的耐腐蝕能力要比其基體的Q235低碳鋼強(qiáng),并且降低陶瓷內(nèi)襯層中鐵鋁尖晶石的含量以及減少陶瓷內(nèi)襯層中的孔隙和粒徑能顯著提高其耐腐蝕能力。沈?qū)W忠[47]對(duì)鍍鋁件在鋁硅熔液中的抗腐蝕性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究,實(shí)驗(yàn)證明,鍍鋁件具有很強(qiáng)的抗鋁硅熔液腐蝕性和抗高溫氧化性。其主要原因是鍍鋁件最外層的Al2O3與鋁液的浸潤(rùn)角達(dá)到了138°,使得鋁液無(wú)法對(duì)鍍鋁件浸潤(rùn),從而阻止了鋁硅熔液對(duì)鍍鋁件的腐蝕。Fukahori等[50]研究了Al-Si合金作為高溫相變材料對(duì)陶瓷材料的高溫腐蝕特性,研究發(fā)現(xiàn)Al2O3、AlN和Si3N4對(duì)Al-Si合金具有較高的耐腐蝕性能。謝億等[51]研究了在實(shí)驗(yàn)溫度為650 ℃、保溫時(shí)間為360 h條件下,Al-4Cu-12Mg-7Si合金對(duì)304不銹鋼、321不銹鋼、Ti6Al4V合金和Ni板等相變儲(chǔ)熱容器殼體的腐蝕性。結(jié)果表明,在液態(tài)Al-4Cu-12Mg-7Si合金中,Ti6Al4V合金的腐蝕失重最少,不銹鋼次之,Ni板發(fā)生溶解反應(yīng),失重最大,因此Ni最不耐熔融鋁合金的侵蝕。余巖等[52]研究了不銹鋼在高溫熔融Al-Si合金中的耐腐蝕性能,發(fā)現(xiàn)合金的腐蝕速率隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸降低,并最終趨于穩(wěn)定;其中0Cr25Ni20不銹鋼耐腐蝕性能優(yōu)于0Cr18Ni9Ti不銹鋼。

      Ryo等[50]研究了4種硅含量在0%~25%之間的合金的儲(chǔ)熱性能,并在高溫條件下進(jìn)行了其對(duì)工程陶瓷的腐蝕試驗(yàn)。研究表明,當(dāng)熱分析溫度在500 ℃以上時(shí),Si含量分別為0%,9.6%~12%,23.4%,25%的Al-Si合金具有較高的蓄熱能力和熱導(dǎo)率。Bulychev等[53, 54]對(duì)金屬儲(chǔ)熱材料的研究表明,與其它高溫相變儲(chǔ)熱材料相比,共晶合金的儲(chǔ)熱優(yōu)勢(shì)明顯。Al-Si系的Al-12Si共晶合金熔化溫度只有577 ℃,相變潛熱卻高達(dá)515 kJ·kg-1,且導(dǎo)熱系數(shù)高,但A1-Si合金液態(tài)腐蝕性較強(qiáng),與結(jié)構(gòu)材料的相容性還須進(jìn)一步深入研究。陳楨干[15]對(duì)比分析了Al-30Cu-5Si對(duì)不銹鋼的腐蝕性,經(jīng)測(cè)試該合金的相變溫度范圍為512.87~558.2 ℃,腐蝕速率隨著時(shí)間的增加而降低,最終趨于穩(wěn)定;同時(shí)發(fā)現(xiàn)該合金的腐蝕速率與Al的含量有關(guān)。劉靖等[55]對(duì)比測(cè)試分析了Al-12Si與Al-20Si合金的相變溫度和相變潛熱,同時(shí)對(duì)其與金屬容器的相容性進(jìn)行了試驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,Al-12Si合金的相變溫度為576 ℃,相變潛熱為562.2 kJ·kg-1,相比于Al-20Si合金,是一種潛熱大、熱穩(wěn)定性高且導(dǎo)熱性能良好的高溫相變材料,可作為儲(chǔ)熱介質(zhì)來(lái)儲(chǔ)存太陽(yáng)能,不過(guò),研究同時(shí)表明,高溫下的Al-12Si合金會(huì)對(duì)不銹鋼材料發(fā)生顯著的擴(kuò)散滲透。

      3 結(jié) 語(yǔ)

      通過(guò)對(duì)鋁基金屬相變儲(chǔ)熱材料的研究發(fā)現(xiàn),鋁基金屬相變儲(chǔ)熱材料的研究主要集中于:材料熱物理性能、成分含量變化對(duì)材料儲(chǔ)熱性能的影響,以及材料與容器的相容性,鋁基相變材料的熱循環(huán)穩(wěn)定性,通過(guò)核殼包裹等方式解決鋁基相變儲(chǔ)熱材料的高溫相容性問(wèn)題等。

      國(guó)內(nèi)外學(xué)者雖然已對(duì)鋁基相變儲(chǔ)熱材料做了大量有意義的探索,但目前針對(duì)該類材料的研究還存在較多亟待解決的問(wèn)題,極大地限制了鋁基相變儲(chǔ)熱材料的儲(chǔ)熱應(yīng)用和進(jìn)一步研究:

      (1)首先,鋁基相變儲(chǔ)熱材料的性能研究不夠全面,關(guān)于其在高溫環(huán)境下的研究較少??蛇m當(dāng)增加對(duì)適用于高溫區(qū)的鋁基相變材料的研究,以使其在太陽(yáng)能熱發(fā)電以及余熱回收方面得到更廣泛的應(yīng)用。

      (2)其次,鋁基相變儲(chǔ)熱材料研究種類的多樣性不夠,使得材料可選擇范圍受限。可通過(guò)研究更多鋁基三元以及多元相變儲(chǔ)熱材料來(lái)擴(kuò)展鋁基相變儲(chǔ)熱材料在不同溫度范圍的適用種類;同時(shí)還應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料以及核殼結(jié)構(gòu)相變儲(chǔ)熱材料的應(yīng)用研究。

      (3)鋁基相變材料在真空條件下的熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)次數(shù)較少,使得研究結(jié)果對(duì)材料在實(shí)際應(yīng)用中的指導(dǎo)出現(xiàn)偏差。在后期可進(jìn)行較多次數(shù)的熱循環(huán)實(shí)驗(yàn),同時(shí)降低熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)的升溫以及降溫速率,更好地模擬真實(shí)的工作應(yīng)用環(huán)境,有效掌握鋁基相變材料在使用過(guò)程中儲(chǔ)熱性能的變化機(jī)理,并對(duì)材料性能做出進(jìn)一步優(yōu)化。

      (4)鋁基相變儲(chǔ)熱材料與容器的相容性測(cè)試不夠全面,目前的研究成果用于指導(dǎo)容器選材還缺乏參考性。可通過(guò)調(diào)整容器材料的成分、采用陶瓷作為容器基體、對(duì)容器進(jìn)行表面處理以及改善鋁液與容器表面的浸潤(rùn)角等措施提高容器的耐腐蝕性能。同時(shí),進(jìn)一步探索鋁基相變儲(chǔ)熱材料與盛裝容器表面接觸的腐蝕機(jī)理,對(duì)尋找鋁基相變儲(chǔ)熱材料合適的盛裝容器具有重要的價(jià)值與意義。

      鋁基相變儲(chǔ)熱材料作為一種儲(chǔ)能密度大、儲(chǔ)熱能品位高、熱效率高、儲(chǔ)熱熱系數(shù)大的相變材料,在中高溫相變儲(chǔ)熱領(lǐng)域?qū)碛袕V闊的應(yīng)用前景。鋁基相變儲(chǔ)熱材料作為一類儲(chǔ)熱綜合性能較佳的材料在儲(chǔ)熱應(yīng)用中將發(fā)揮重要的作用。

      猜你喜歡
      熱循環(huán)潛熱儲(chǔ)熱
      堿金屬熔鹽修飾MgO對(duì)其儲(chǔ)熱性能的影響研究
      高溫?zé)嵫h(huán)作用下大理巖三軸壓縮力學(xué)特性
      壁厚對(duì)X80管線鋼焊接熱循環(huán)參數(shù)的影響
      Effect of moxibustion combined with acupoint application on enteral nutrition tolerance in patients with severe acute pancreatitis
      工業(yè)革命時(shí)期蒸汽動(dòng)力的應(yīng)用與熱力學(xué)理論的關(guān)系
      石墨烯鍍層輔助快速熱循環(huán)注射成型方法的研究
      熱循環(huán)下Sn2.5Ag0.7Cu0.1RExNi/Cu釬焊焊點(diǎn)組織與性能研究
      焊接(2016年5期)2016-02-27 13:04:44
      青藏高原東部夏季降水凝結(jié)潛熱變化特征分析
      太陽(yáng)能熱發(fā)電儲(chǔ)熱系統(tǒng)綜述
      堿回收爐空氣加熱器冷凝水系統(tǒng)
      合阳县| 榆社县| 临洮县| 延庆县| 屯昌县| 通化县| 莲花县| 敖汉旗| 宁德市| 冷水江市| 印江| 碌曲县| 井陉县| 敦化市| 即墨市| 商水县| 许昌市| 潢川县| 弋阳县| 卓资县| 广宗县| 广南县| 封丘县| 海宁市| 玉环县| 晋州市| 新建县| 陵川县| 郸城县| 普兰店市| 通渭县| 板桥市| 东安县| 二连浩特市| 镇沅| 南木林县| 潮安县| 新兴县| 桂林市| 潍坊市| 静海县|