高儲能密度高導熱率的相變儲能低熔點合金及其製備方法與流程
2023-06-11 04:29:16
本發明屬於容器相關的相變儲能材料領域，本發明公開了一種高儲能密度高導熱率的相變儲能低熔點合金，本發明還公開了一種高儲能密度高導熱率的相變儲能低熔點合金的製備方法。
背景技術：
我國人均資源不足，生態環境薄弱，可持續發展已是當今社會發展的一大主題，要達到這種發展模式，開發和利用環保的新能源技術是最有效的解決辦法。而相變儲能材料是環保新能源技術的研究熱點之一，在一定的條件下，可提高能源利用率，減少能源的浪費，達到環保的目的。
目前市場上主要使用的相變儲能材料包括無機水合鹽相變材料和有機儲能材料。通過不同的配方調節其相變溫度，可以應對不同的吸熱/供熱需求。但是，這兩類傳統的相變儲能材料都有明顯的缺點：熱傳導率過低：無機水合鹽的熱導率一般都低於1W/mK，而有機相變材料的熱導率更是不高於0.3W/mK。過低的熱導率將會顯著的降低該相變儲能材料的使用效率，對結構設計提出了更高的要求，這樣對於某些對於體積要求較高的場合，這些傳統相變儲能材料的使用受到較多的限制。
相比較傳統的相變儲能材料，就熱導率和相變潛能上，液態合金就具有明顯的優勢。一般的，液態合金的熱導率達到20W/mK以上，大約是傳統相變儲能材料的20倍以上，單位體積的相變潛熱值達到300～500J/cm3，同時液態金屬還具有其他多種優點，這使得液態金屬在近幾年來，得到越來越多儲能材料科學家及學者關注。
將具有高熱導性能的材料進行複合設計，是進一步提高基體材料熱導率的重要途徑。石墨烯是一種具有極高導電性和極高導熱性等優異性能的特種材料，尤其是導熱係數高達5000W/mK，這讓石墨烯成為一種用於優化體系熱導率的添加劑。但是，將石墨烯直接與液態合金複合處理時，由於兩者密度差異極大，對於製備工藝提出了極高的要求。
技術實現要素：
本發明的目的之一是克服現有技術中存在的不足，提供一種高儲能密度高導熱率的相變儲能低熔點合金。
本發明的另一目的是提供一種高儲能密度高導熱率的相變儲能低熔點合金的製備方法。
按照本發明提供的技術方案，所述高儲能密度高導熱率的相變儲能低熔點合金中包含以下重量百分含量的各組分：15.6％～16.8％的Sn，11.9％～13.3％的In，17.8％～19.3％的Pb，6.9％～8.2％的Cd，42.5％～45.3％的Bi，0.3％～0.9％的鍍石墨烯的銅粉。
所述鍍石墨烯的銅粉的顆粒直徑為15～2000納米。
一種高儲能密度高導熱率的相變儲能低熔點合金的製備方法包括以下步驟：
a、將Sn、In、Pb、Cd與Bi放入真空感應熔煉爐的坩堝內，關閉爐門，對真空感應熔煉爐進行抽真空處理，使爐內壓強低於5×10-3Pa；
b、然後向真空感應熔煉爐內加入惰性氣體作為保護氣體，加壓至0.5～0.6個大氣壓，開始通電熔煉，熔煉溫度控制在400～430℃，使坩堝內內的待熔物料完全熔化，立刻關閉加熱電源；
c、熔煉完畢後，降溫至室溫狀態，然後從爐中取出熔煉獲得的合金半成品，將合金半成品通過水浴加熱至65～80℃，使合金半成品再次熔化，並加入預備好的鍍有石墨烯的銅粉，並用玻璃棒攪拌均勻，同時水浴自然冷卻，直至冷卻凝固，即可得到高儲能密度高導熱率的相變儲能低熔點合金。
本發明獲得低熔點合金材料，其熔化溫度在38到49度之間，符合當前很多民用快冷或保溫容器的儲能和加熱需求；該相變合金的凝固和熔化相變過程中的潛熱達到50J/g以上，單位體積儲能密度達到300J/cm3以上，可以隨著環境溫度變化吸收或釋放能量；本發明低熔點合金的液相熱導率達到58W/mK以上，比液態合金相變材料提高了2倍以上，更是遠高於傳統的相變材料。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本發明作進一步說明。
實施例1
準備製備高儲能密度高導熱率的相變儲能低熔點合金的物料，在該物料中包含以下重量百分含量的各組分：16.6％的Sn，12.4％的In，18.7％的Pb，6.9％的Cd，45.1％的Bi，0.3％的鍍石墨烯的銅粉，鍍石墨烯的銅粉的顆粒平均尺寸約為25納米。
準備好上述物料後，將Sn、In、Pb、Cd與Bi放入真空感應熔煉爐的坩堝內，關閉爐門，對真空感應熔煉爐進行抽真空處理，使爐內壓強低於5×10-3Pa；
然後向真空感應熔煉爐內加入氮氣作為保護氣體，加壓至0.5個大氣壓，開始通電熔煉，熔煉溫度控制在420℃，使坩堝內內的待熔物料完全熔化，立刻關閉加熱電源；
熔煉完畢後，降溫至室溫狀態，然後從爐中取出熔煉獲得的合金半成品，將合金半成品通過水浴加熱至75℃，使合金半成品再次熔化，並加入預備好的鍍有石墨烯的銅粉，並用玻璃棒攪拌均勻，同時水浴自然冷卻，直至冷卻凝固，即可得到高儲能密度高導熱率的相變儲能低熔點合金。
實施例1得到的高儲能密度高導熱率的相變儲能低熔點合金的各項性能見表1。
實施例2
準備製備高儲能密度高導熱率的相變儲能低熔點合金的物料，在該物料中包含以下重量百分含量的各組分：15.7％的Sn，13.1％的In，17.8％的Pb，7.6％的Cd，45.3％的Bi，0.5％的鍍石墨烯的銅粉，鍍石墨烯的銅粉的顆粒平均尺寸約為80納米。
準備好上述物料後，將Sn、In、Pb、Cd與Bi放入真空感應熔煉爐的坩堝內，關閉爐門，對真空感應熔煉爐進行抽真空處理，使爐內壓強低於5×10-3Pa；
然後向真空感應熔煉爐內加入氬氣作為保護氣體，加壓至0.6個大氣壓，開始通電熔煉，熔煉溫度控制在410℃，使坩堝內內的待熔物料完全熔化，立刻關閉加熱電源；
熔煉完畢後，降溫至室溫狀態，然後從爐中取出熔煉獲得的合金半成品，將合金半成品通過水浴加熱至70℃，使合金半成品再次熔化，並加入預備好的鍍有石墨烯的銅粉，並用玻璃棒攪拌均勻，同時水浴自然冷卻，直至冷卻凝固，即可得到高儲能密度高導熱率的相變儲能低熔點合金。
實施例2得到的高儲能密度高導熱率的相變儲能低熔點合金的各項性能見表1。
實施例3
準備製備高儲能密度高導熱率的相變儲能低熔點合金的物料，在該物料中包含以下重量百分含量的各組分：16.8％的Sn，13.3％的In，19.3％的Pb，7.4％的Cd，42.5％的Bi，0.7％的鍍石墨烯的銅粉，鍍石墨烯的銅粉的顆粒平均尺寸約為120納米。
準備好上述物料後，將Sn、In、Pb、Cd與Bi放入真空感應熔煉爐的坩堝內，關閉爐門，對真空感應熔煉爐進行抽真空處理，使爐內壓強低於5×10-3Pa；
然後向真空感應熔煉爐內加入氮氣作為保護氣體，加壓至0.6個大氣壓，開始通電熔煉，熔煉溫度控制在400℃，使坩堝內內的待熔物料完全熔化，立刻關閉加熱電源；
熔煉完畢後，降溫至室溫狀態，然後從爐中取出熔煉獲得的合金半成品，將合金半成品通過水浴加熱至65℃，使合金半成品再次熔化，並加入預備好的鍍有石墨烯的銅粉，並用玻璃棒攪拌均勻，同時水浴自然冷卻，直至冷卻凝固，即可得到高儲能密度高導熱率的相變儲能低熔點合金。
實施例3得到的高儲能密度高導熱率的相變儲能低熔點合金的各項性能見表1。
實施例4
準備製備高儲能密度高導熱率的相變儲能低熔點合金的物料，在該物料中包含以下重量百分含量的各組分：15.6％的Sn，11.9％的In，18.6％的Pb，8.2％的Cd，44.8％的Bi，0.9％的鍍石墨烯的銅粉，鍍石墨烯的銅粉的顆粒平均尺寸約為268納米。
準備好上述物料後，將Sn、In、Pb、Cd與Bi放入真空感應熔煉爐的坩堝內，關閉爐門，對真空感應熔煉爐進行抽真空處理，使爐內壓強低於5×10-3Pa；
然後向真空感應熔煉爐內加入氮氣作為保護氣體，加壓至0.6個大氣壓，開始通電熔煉，熔煉溫度控制在430℃，使坩堝內內的待熔物料完全熔化，立刻關閉加熱電源；
熔煉完畢後，降溫至室溫狀態，然後從爐中取出熔煉獲得的合金半成品，將合金半成品通過水浴加熱至80℃，使合金半成品再次熔化，並加入預備好的鍍有石墨烯的銅粉，並用玻璃棒攪拌均勻，同時水浴自然冷卻，直至冷卻凝固，即可得到高儲能密度高導熱率的相變儲能低熔點合金。
實施例4得到的高儲能密度高導熱率的相變儲能低熔點合金的各項性能見表1。
表1
從表1的數據可以看到，本發明通過摻雜石墨烯銅粉之後獲得的低熔點合金相變材料，其能量密度幾乎沒有發生變化，但是熱傳導率獲得極大的提升，達到59.3W/mK以上，比純合金的21.7W/mK提高了2倍以上，具有極高的應用潛力。