一种中温相变储能合金的制备方法

1.本发明涉及一种中温相变储能合金的制备方法，属于相变储能材料技术领域。


背景技术：

2.相变储能技术作为一种有效的温控技术，是提高能源利用率和保护环境的重要手段。在太阳能利用、风电储存、电力的“移峰填谷”、废热和余热的回收利用、电子器件散热，以及民用建筑供暖与空调节能等领域应用广泛。
3.相变储能材料是指在一定的温度范围内，利用材料本身相态或结构变化，向环境自动吸收或释放潜热，从而达到调控环境温度的一类材料。其相变过程为：当环境温度高于相变温度时，材料吸收并储存热量，以降低环境温度；当环境温度低于相变温度时，材料释放储存的热量，以提高环境温度。
4.合金基相变储能材料具有导热系数大、热稳定性好、相变体积变化小、过冷度小、储能密度大等优点，在中高温相变储热应用中具有极大的优势。且合金在经过多次热循环后热物性变化不大，在储放热过程中温度变化平稳。
5.然而由于中温合金相变材料通常为较活泼的锌基、镁基、铝基合金组成。在空气气氛或高湿度情况下熔炼该类合金，不仅因为生成金属氧化物放出大量的热，而且反应产生氢与周围大气中的氧作用生成水，水由受热急剧气化膨胀，结果导致猛烈爆炸，引起合金熔液的剧烈燃烧与飞溅。因此该类合金的制备需要极其严格的实验条件、设备优良的密封性、惰性气体的保护等，不仅存在高的安全隐患，而且制备成本高。


技术实现要素：

6.本发明针对现有锌基、镁基、铝基中温相变储能合金较活泼，熔炼过程常因惰性气氛保护不够充分、湿度较高等出现猛烈爆炸，合金熔液剧烈燃烧与飞溅问题，本发明提供一种中温相变储能合金的方法，即利用高温基础油为熔炼介质，既隔绝了空气起到密封效果、又保证了熔炼合金体系的低湿度环境；通过调整元素配比，熔炼介质类型可制备出在150-370℃范围内的中温合金相变储能材料。
7.一种中温相变储能合金的制备方法，具体步骤如下：
8.(1)将金属a和金属b表面氧化膜去除，再干燥处理；其中金属a为mg、zn、al、ti、sn中的一种或多种，金属b为ga、in、bi、cd、pb、sb中的一种或多种；
9.(2)将步骤(1)干燥后的金属a和金属b加入到熔炼介质中，匀速升温至温度200-410℃保温6-10h，得到合金化体系；
10.(3)步骤(2)合金化体系加热熔融，并恒温搅拌反应10～30min得到合金熔体；
11.(4)合金熔体随熔炼介质冷却至室温，清洗合金表面的熔炼介质，得到中温相变储能合金；
12.所述中温相变储能合金中各金属元素的摩尔分数均不小于10％；
13.所述步骤(2)熔炼介质为高温链条油、高温导热油、聚酯油、聚α烯烃或聚苯-联苯
醚；
14.所述步骤(3)加热熔融的温度比合金体系熔点高10～35℃；
15.所述中温相变储能合金的相变温度为150～370℃。
16.本发明利用高温基础油作为熔炼介质，不仅隔绝空气、降低湿度，同时处于高温状态的基础油又为合金熔融提供环境；合金化归因于熔炼介质温度始终高于所选取熔点较低的金属b组分熔点，一旦金属处于熔融态其内部原子扩散速率呈指数倍增加，将加速和其他金属原料的合金化过程。
17.本发明的有益效果是：
18.(1)本发明有效解决了现有锌基、镁基、铝基中温相变储能合金较活泼，因熔炼条件难满足而出现猛烈爆炸，合金熔液剧烈燃烧与飞溅问题；
19.(2)本发明使用高温基础油为熔炼介质，不仅消除此类合金熔点过程中存在的潜在安全隐患问题，而且有效降低了合金制备成本。
20.(3)本发明可通过调整元素配比，熔炼介质类型制备不同温度范围的中温合金相变储能材料，用于不同的相变储能技术领域。
附图说明
21.图1为实施例1中制备的sn7ga1in1bi1中温相变储能合金的sem和eds图；
22.图2为实施例1中制备的sn7ga1in1bi1中温相变储能合金的xrd图；
23.图3为实施例1中制备的sn7ga1in1bi1中温相变储能合金的dsc图；
24.图4为实施例2中制备的zn4sn4in1中温相变储能合金的sem和eds图；
25.图5为实施例2中制备的zn4sn4in1中温相变储能合金的xrd图；
26.图6为实施例2中制备的zn4sn4in1中温相变储能合金的dsc图；
27.图7为实施例3中制备的zn5sn2in1bi2中温相变储能合金的sem和eds图；
28.图8为实施例3中制备的zn5sn2in1bi2中温相变储能合金的xrd图；
29.图9为实施例3中制备的zn5sn2in1bi2中温相变储能合金的dsc图。
具体实施方式
30.下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
31.实施例1：一种中温相变储能合金的制备方法，具体步骤如下：
32.(1)去除金属sn、ga、in和bi表面氧化膜，并在干燥箱中以温度80℃干燥60min；
33.(2)将干燥过的金属sn、ga、in、bi加入到没过其2cm的熔炼介质聚α烯烃中，匀速升温至220℃保温6h，使金属sn、ga、in和bi合金化得到合金化体系；
34.(3)将合金化体系加热至180℃使其处于熔融态，以600r/min的转速进行搅拌20min，使其充分合金化；
35.(4)随熔炼介质聚α烯烃冷却到室温，使用乙醇清洗掉合金表面黏附的聚α烯烃，得到中温相变储能合金sn7ga1in1bi1。
36.本实施例制得的sn7ga1in1bi1中温相变储能合金在聚α烯烃中熔炼过程中并没有出现爆炸、燃烧、氧化等问题，其sem和eds见图1，xrd图见图2，该合金由inbi金属间化合物、
ga、sn固溶体相组成；其dsc图谱见图3，图中有两个峰，第一个峰对应ga-in-bi共晶，熔点65.03℃，相变潜热值5.107j/g；第二个峰对应ga-sn共晶，熔点160.0℃，相变潜热值25.84j/g，表明该合金是由两个共晶相组成的非共晶合金；该sn7ga1in1bi1合金可用于65℃、160.0℃范围附近的双阶段性相变储能，且其在160℃的中温阶段单位质量储能密度极高达到25.84j/g。
37.实施例2：一种中温相变储能合金的制备方法，具体步骤如下：
38.(1)去除金属zn、sn和in表面氧化膜，并在干燥箱中以90℃干燥80min；
39.(2)将干燥的金属zn、sn和in加入到没过其3cm的熔炼介质高温导热油中，匀速升温至410℃保温8h，使金属zn、sn和in合金化得到合金化体系；
40.(3)将合金化体系加热至380℃使其处于熔融态，以700r/min的转速进行搅拌25min，使其充分合金化；
41.(4)随熔炼介质高温导热油冷却到室温，使用乙醇清洗掉合金表面黏附的高温导热油，得到中温相变储能合金zn4sn4in1；
42.本实施例制得的zn4sn4in1中温相变储能合金在高温导热油中熔炼过程中并没有出现爆炸、燃烧、氧化等问题；其sem和eds见图4，xrd图见图5，该合金由insn4金属间化合物、zn固溶体相组成；其dsc图谱见图6，图中有两个峰，第一个峰对应insn4共晶，熔点139.7℃，相变潜热值6.775j/g；第二个峰对应in-sn-zn共晶，熔点366.8℃，相变潜热值35.03j/g，表明该合金是由两个共晶相组成的非共晶合金；该zn4sn4in1合金可用于140℃、370℃范围附近的双阶段性相变储能，且其在370℃的中高温阶段单位质量储能密度极高达到35.03j/g。
43.实施例3：一种中温相变储能合金的制备方法，具体步骤如下：
44.(1)去除金属zn、sn、in和bi表面氧化膜，并在干燥箱中以90℃干燥90min；
45.(2)将金属zn、sn、in和bi加入到没过其3cm的熔炼介质聚α烯烃中，匀速升温至250℃保温8h，使金属zn、sn、in和bi合金化得到合金化体系；
46.(3)将合金化体系加热至190℃使其处于熔融态，以900r/min的转速进行搅拌25min，使其充分合金化；
47.(4)随熔炼介质聚α烯烃冷却到室温，使用乙醇清洗掉合金表面黏附的聚α烯烃，得到中温相变储能合金zn5sn2in1bi2；
48.本实施例制得的zn5sn2in1bi2中温相变储能合金在聚α烯烃中熔炼过程中并没有出现爆炸、燃烧、氧化等问题。其sem和eds见图7，xrd图见图8，该合金由inbi金属间化合物、zn、sn固溶体相组成；其dsc图谱见图9，图中有一个峰，对应zn-sn-in-bi共晶，熔点161.8℃，相变潜热值43.54j/g，表明该合金为三相共晶合金；该zn5sn2in1bi2合金可用于160.0℃范围附近的单阶段性相变储能，在160℃的中温阶段单位质量储能密度达到43.54j/g。
49.以上对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。