氮化铝陶瓷复合的中高温相变储热材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氮化铝陶瓷复合的中高温相变储热材料及其制备方法，相变储热材料包括作为相变储热介质的低熔点金属颗粒或低熔点合金颗粒以及作为导热介质的AlN陶瓷，各个低熔点金属颗粒或低熔点合金颗粒呈孤岛状被封装、分散在AlN陶瓷骨架内。在相变温度以上低熔点金属或合金虽然由固相变成液相，但由于AlN陶瓷的隔离，不会与封装材料形成低熔点共晶体而对封装材料造成腐蚀；另外本发明专利技术的储热材料的储热密度大，热导率高，吸放热过程近似等温，因此本发明专利技术的材料既解决了储热合金高温液相封装的技术难题，又显著提高吸放热效率，满足相变储热材料的应用要求。

Medium and high temperature phase change heat storage materials combined with aluminum nitride ceramics and their preparation methods

The invention discloses an aluminum nitride ceramic composite in high temperature phase change thermal storage material and preparation method thereof, phase-change material including as low melting point metal particle phase-change heat storage medium or low melting point alloy particles as well as the AlN ceramic heat conducting medium, the low melting point metal particles or low melting point alloy particles like an Island encapsulated and dispersed in AlN ceramic matrix. In the above phase transition temperature of low melting point metal or alloy by solid phase into the liquid phase though, but due to the isolation of AlN ceramics, not the formation of low melting point eutectic and the package material caused by corrosion of packaging material; thermal storage materials in the invention of the heat storage density, high thermal conductivity, thermal desorption isothermal process, therefore the material of the invention solves the technical problems of heat storage alloy high temperature liquid packaging, and significantly improve the heat absorbing efficiency, meet the application requirements of the thermal energy storage material.

【技术实现步骤摘要】
氮化铝陶瓷复合的中高温相变储热材料及其制备方法
本专利技术涉及一种储热材料，具体涉及一种氮化铝陶瓷复合的中高温相变储热材料及其制备方法。
技术介绍
储能技术旨在解决能量供给在时间和空间上的不连续问题，是提高能源利用率的有效途径。在供电行业“削峰填谷”、航天航空、新能源利用、工业的热过程以及民用建筑采暖等方面都具有广阔的应用前景。相比于化学蓄电，储热技术具有储能（热能）容量大、稳定性强、环保等优势。储热技术主要包括显热、潜热和反应热三种储热方式。其中，以相变材料（PhasechangeMaterial，PCM）的固－固、固－液相变潜热来储存热量的潜热型储能方式最普遍也最重要。相变储热材料具有相变潜热大、储热密度高、吸放热过程近似等温、过程易控制等优点。相变储热材料主要有固－固和固－液型两类，其中固－液相变储热材料根据使用温度范围，又可分为高温型和低温型储热材料；或者根据材料类型又可分为有机类和无机类储热材料。无机类相变储热材料主要有结晶水合盐类、金属与合金类、混合岩类等。其中金属、特别是某些合金的相变储热材料具有储热密度大、热循环稳定性好、导热系数是其他无机和有机相变材料的几百倍、相变时过冷度小、相偏析小、性价比优良等特点，在中高温储热领域具有极大的优势。金属相变储热是利用金属材料，特别是共晶合金的熔化和凝固过程吸放热特性，用于350℃以上的中高温热能存储。一些低熔点金属或合金的熔点在350～600℃之间，与太阳能中高温发电的热媒介质温度相当，并且具有较大的熔化潜热，导热系数高、抗高温氧化性能好，是较好的高温相变储热材料，但因其在高温熔融态时，容易与封装材料（如储热罐体、换热管道等）形成低熔点共晶体而对封装材料造成腐蚀，限制了它的应用。为了解决高温金属相变材料在液相时的高腐蚀性的问题，上世纪80年代起开始研究高温金属相变储热胶囊，并成功制备了一些金属相变储热胶囊，但大部分胶囊的性能指标仍远远不能满足高温金属相变储能系统的要求。如多数相变储热胶囊没有考虑其耐压性能，特别是在固液转变温度以上内核呈液态时，多层胶囊堆压压力会对底部胶囊的陶瓷外壳造成破坏，严重情况会导致胶囊破裂，材料报废；另一方面，多数储热胶囊为球状颗粒，多个储热胶囊颗粒之间的空隙极不利于热传导，是故换热效率较差。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种制备工艺简单、对封装材料无腐蚀、潜热高、导热率高的氮化铝陶瓷复合的中高温相变储热材料及其制备方法。实现本专利技术第一目的的技术方案是一种氮化铝陶瓷复合的中高温相变储热材料，包括作为相变储热介质的低熔点金属颗粒或低熔点合金颗粒以及作为导热介质的AlN陶瓷，各个低熔点金属颗粒或低熔点合金颗粒呈孤岛状被封装、分散在AlN陶瓷骨架内；低熔点金属颗粒或低熔点合金颗粒与AlN陶瓷的质量比为2:1～1:2。所述低熔点金属为Al、Zn、Sn中的一种；所述低熔点合金为Al-Zn、Mg-Zn、Al-Mg、Al-Cu、Al-Si等二元合金或Al-Mg-Zn、Al-Mg-Si、Al-Si-Cu等三元合金中的一种。所述低熔点金属颗粒或低熔点合金颗粒的平均粒度为20μm～2mm。所述AlN陶瓷是由AlN微粉高温烧制后得到的，烧制AlN陶瓷的AlN微粉的平均粒度为1～5μm。上述氮化铝陶瓷复合的中高温相变储热材料的相变点在360℃～680℃之间，相变潜热大于100KJ/kg，热导率高于30W/m.K，耐压强度高于16MPa。实现本专利技术第二目的的技术方案是一种氮化铝陶瓷复合的中高温相变储热材料的制备方法，包括以下步骤：①备料；按照低熔点金属颗粒或低熔点合金颗粒与AlN陶瓷的质量比为2:1～1:2称取金属粉末或合金粉末以及AlN微粉，将称取的粉料混合均匀。②低温模压预成型；将步骤①得到的混合粉料装于模具中，模具放置在真空热压炉内的压头之下，炉内抽真空，然后加热升温至0.6～0.75Tm，对压头加压，使混合粉料预压成型，降温后，取出模具并脱模，得到预压成型的坯块。③高温烧结；将步骤②预压成型的坯块置于高温真空烧结炉中或在惰性气体保护炉中烧结，在烧结温度下保温10～60分钟，然后随炉冷却，冷却后得到烧结态的氮化铝陶瓷复合的中高温相变储热材料。④储热材料表面凝结金属清理及表面平整化处理；得到的相变储热材料包括作为相变储热介质的低熔点金属颗粒或低熔点合金颗粒以及作为导热介质的AlN陶瓷，各个低熔点金属颗粒或低熔点合金颗粒呈孤岛状被封装、分散在AlN陶瓷骨架内。作为可选的，步骤①备料时还加入50nm～100nm的Y2O3粉末，Y2O3粉末的加入量为AlN微粉质量的2%～5%。加入Y2O3粉末的情况下，步骤③的烧结温度为1350℃～1850℃。步骤①备料时可采用干法混合，也可采用湿法混合，湿法混合浸润剂选择有机溶剂，避免AlN水化。本专利技术具有积极的效果：（1）本专利技术的氮化铝陶瓷复合的中高温相变储热材料利用了AlN陶瓷熔点高、热导率高、热膨胀系数小、良好的力学性能、热震稳定性和耐腐蚀等优点，将Al、Zn、Sn等低熔点金属颗粒或Al-Si、Al-Si-Mg等低熔点合金颗粒与高热导率的AlN陶瓷高温烧结复合，各个Al、Zn、Sn等低熔点金属颗粒或Al-Si、Al-Si-Mg等低熔点合金颗粒呈孤岛状被封装在AlN陶瓷骨架内。相比于传统的胶囊式封装储热材料，本专利技术提供了一种采用新的封装方式的储热材料供本领域选择使用。在相变温度以上低熔点金属或合金虽然由固相变成液相，但由于AlN陶瓷的隔离，不会与封装材料（如储热罐体、换热管道等）形成低熔点共晶体而对封装材料造成腐蚀；另外本专利技术的储热材料的储热密度大，热导率高，吸放热过程近似等温，因此本专利技术的材料既解决了储热合金高温液相封装的技术难题，又显著提高吸放热效率，满足相变储热材料的应用要求。（2）经差示扫描量热仪（DSC）测试，本专利技术的相变储热材料的相变点在360℃～680℃之间，因此属于中高温变储热材料，相变潜热可达100KJ/kg之上，相变潜热大；经激光热导仪测试材料的热导率高于30W/m.K，热导率高吸放热效率相应地就高；经万能材料试验机测试其抗压强度高于16MPa，可耐受密集堆垛。（3）本专利技术材料的制备工艺简单易行，能适合工业化连续生产，产品成品率高，质量稳定；本专利技术的储热材料适用于太阳能光热发电和工业余热回收利用等领域，具有广阔的市场前景。附图说明图1为实施例1制备的储热材料断面的均相显微照片（x50）；图2为实施例2制备的储热材料断面的均相显微照片（x10）；图3为实施例2制备的储热材料的DSC升降温曲线；图4为实施例3制备的储热材料断面的均相显微照片（x10）；图5为实施例4的储热材料断面的均相显微照片（x10）。具体实施方式以下介绍的是本专利技术的多个可能实施例中的一些，旨在提供对本专利技术的基本理解，并不旨在确认本专利技术的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。容易理解，根据本专利技术的技术方案，在不变更本专利技术的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的其它实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本专利技术的技术方案的示例性说明，而不应当视为本专利技术的全部或者视为对本专利技术技术方案的限定或限制。参见图1、2、4、5，本专利技术的氮化铝陶瓷复合的中高温相变储热材料包括作为作为相变储热介质的低本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮化铝陶瓷复合的中高温相变储热材料，其特征在于：包括作为相变储热介质的低熔点金属颗粒或低熔点合金颗粒以及作为导热介质的AlN陶瓷，各个低熔点金属颗粒或低熔点合金颗粒呈孤岛状被封装、分散在AlN陶瓷骨架内；低熔点金属颗粒或低熔点合金颗粒与AlN陶瓷的质量比为2: 1～1:2。

【技术特征摘要】
1.一种氮化铝陶瓷复合的中高温相变储热材料，其特征在于：包括作为相变储热介质的低熔点金属颗粒或低熔点合金颗粒以及作为导热介质的AlN陶瓷，各个低熔点金属颗粒或低熔点合金颗粒呈孤岛状被封装、分散在AlN陶瓷骨架内；低熔点金属颗粒或低熔点合金颗粒与AlN陶瓷的质量比为2:1～1:2。2.根据权利要求1所述的氮化铝陶瓷复合的中高温相变储热材料，其特征在于：所述低熔点金属为Al、Zn、Sn中的一种；所述低熔点合金为Al-Zn、Mg-Zn、Al-Mg、Al-Cu、Al-Si等二元合金或Al-Mg-Zn、Al-Mg-Si、Al-Si-Cu等三元合金中的一种。3.根据权利要求2所述的氮化铝陶瓷复合的中高温相变储热材料，其特征在于：低熔点金属颗粒或低熔点合金颗粒的平均粒度为20μm～2mm。4.根据权利要求1所述的氮化铝陶瓷复合的中高温相变储热材料，其特征在于：AlN陶瓷是由AlN微粉高温烧制后得到的，烧制AlN陶瓷的AlN微粉的平均粒度为1～5μm。5.根据权利要求1至4之一所述的氮化铝陶瓷复合的中高温相变储热材料，其特征在于：氮化铝陶瓷复合的中高温相变储热材料的相变点在360℃～680℃之间，相变潜热大于100KJ/kg，热导率高于30W/m.K，耐压强度高于16MPa。6.一种氮化铝陶瓷复合的中高温相变储热材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：①备料；按照低熔点金属颗粒或低熔点合金颗粒与AlN陶...

【专利技术属性】
技术研发人员：田广科，陈庆春，孔令刚，王成兵，黄海洋，胡建鹏，令晓明，夏荣斌，
申请(专利权)人：兰州交大常州研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32