CN101798498B - 一种Al/Al2O3蓄热材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Al/Al2O3蓄热材料及其制备方法，是以氧化铝为基体材料的，球形金属铝“核”被一层氧化铝“外壳”包裹住。在蓄热过程中金属铝会吸收热量从固态变为液态并且升高温度，同时外层的氧化铝层也会吸收热量温度升高，而在换热过程中金属液态铝释放潜热与显热，氧化铝外壳释放显热。该Al/Al2O3蓄热材料的制备过程较传统的方法有很大的不同。将液态的金属铝(660℃以上)通过雾化装置雾化成细小的颗粒，细小的金属铝液体颗粒在氧化性气氛下冷却并将外层金属铝氧化，以形成以金属铝为“核”，氧化铝为“外壳”的Al/Al2O3相变蓄热材料。氧化性气氛可以使用经过惰性气体稀释过的氧气、水蒸气、二氧化碳或者空气。该制备方法简单、易于规模化生产。
Description
技术领域
一种Al/Al2O3蓄热材料，属于应用节能环保技术领域。
背景技术
蓄热技术是解决能源危机、实现工业节能的重要手段之一，其核心应用在于调和热能供给与需求在时间和空间上不相匹配的矛盾。常用的蓄热材料可分为显热式和潜热式。显热式蓄热材料具有性能稳定、价格便宜等优点，但其蓄热密度低、蓄热装置体积庞大。而相变蓄热(潜热蓄热)材料以其蓄热密度大、相变时温度稳定、所用装置简单、体积小、设计灵活等优点在太阳能储存，工业余热回收，电子器件热管理等诸多领域得到了广泛的应用。一般来讲，金属或合金相变潜热大，热导率高，热稳定性好，是很好的储能材料。但金属材料在相变过程中有液相产生，具有流动性和强烈腐蚀性，存在着较大缺陷。而利用结构稳定、导热率高的陶瓷材料作为蓄热物质的载体，合成出复合蓄热材料，不仅可以提高蓄热材料的导热率和稳定性，还可在一定程度上提高材料蓄热能力。另外，陶瓷材料如Al2O3、MgO、SiC、Si3N4等大都有强度高、重量轻、耐高温、抗氧化、耐腐蚀以及原料便宜等优点，是一种理想的结构材料，作为显热式蓄热材料已被大量的选作工业中蓄热体。将其与金属材料在一定工艺条件下复合在一起，形成的复合材料具有高强度、高耐磨性、高耐蚀性、蓄热密度大及放热迅速等优点。
发明内容
本发明在此基础上提出了一种全新的Al/Al2O3蓄热材料及其制备方法。
本发明一种Al/Al2O3蓄热材料，是以氧化铝为基体材料的，球形金属铝“核”被一层氧化铝“外壳”包裹住，所述Al2O3/Al蓄热材料在蓄热过程中金属铝吸收热量从固态变为液态并且升高温度，同时外层的氧化铝层也会吸收热量温度升高，而在换热过程中金属液态铝释放潜热与显热，氧化铝外壳释放显热。
发明一种Al/Al2O3蓄热材料的制备方法包含以下步骤：将液态的金属铝，通过雾化装置雾化成细小的颗粒，细小的金属铝液体颗粒在氧化性气氛下冷却并将外层金属铝氧化，以形成以金属铝为“核”，氧化铝为“外壳”的Al/Al2O3相变蓄热材料，冷却后得到的Al2O3/Al蓄热材料直径1000μm，其中金属铝核心直径为600μm，再在压样机压制成压坯，随后送入空气气氛围的烧结窑中烧结获得成品。
所述的氧化性气氛可以使用经过惰性气体稀释过的氧气、水蒸气、二氧化碳或者空气。
所述的液态的金属铝的温度为700℃，氧化性气氛下冷却温度为400℃。
所述的压样机中的压力为12Mpa的压力，保压时间为20min，压坯
所述的烧结窑中烧结时，温度为800℃下，保温烧结时间为1.5小时。
本发明Al/Al2O3蓄热材料是以氧化铝为基体材料的，球形金属铝“核”被一层氧化铝“外壳”包裹住。其结构示意图如图1所示。在蓄热过程中金属铝会吸收热量从固态变为液态并且升高温度，同时外层的氧化铝层也会吸收热量温度升高，而在换热过程中金属液态铝释放潜热与显热，氧化铝外壳释放显热。在蓄热与放热的过程中金属铝外层的氧化铝壳具有较高的强度，在较高温度下不会发生较大形变，能够将固态或液态的金属铝包裹在内部，不会发生泄漏。
该Al/Al2O3蓄热材料的制备过程较传统的方法有很大的不同。将液态的金属铝(660℃以上)通过雾化装置雾化成细小的颗粒，细小的金属铝液体颗粒在氧化性气氛下冷却并将外层金属铝氧化，以形成以金属铝为“核”，氧化铝为“外壳”的Al/Al2O3相变蓄热材料。氧化性气氛可以使用经过惰性气体稀释过的氧气、水蒸气、二氧化碳或者空气。该制备方法简单、易于规模化生产。
本发明提出一种以高潜热的金属铝为相变材料，高稳定性的三氧化二铝陶瓷为基体材料的复合相变蓄热材料。该复合材料结合显热蓄热和潜热蓄热两种蓄热材料的优点，不仅具有较高的强度和优良的耐腐蚀性能，而且能保证在相变材料的相变点附近吸、放热，高密度的储存热量。相变材料的熔化和凝固过程是在陶瓷基体中进行，两者在高温下不发生化学反应。这样可以采用直接接触换热方式，不需要换热器，能减少材料用量和缩小容器尺寸，因而可以较大幅度的提高蓄热系统的经济性，能满足太阳能储存和各种工业余热回收。
本发明与现有技术相比具有下列优点：
(1)以金属铝为“核心”，氧化铝陶瓷为“外壳”，增强了材料的机械性能与稳定性。
(2)结合了显热蓄热和潜热蓄热两种蓄热材料的优点，不仅具有较高的强度和优良的耐腐蚀性能，而且能保证在相变材料的相变点附近吸、放热，高密度的储存热量。
(3)解决了金属相变材料需用耐高温腐蚀的容器盛装的问题，并使材料有较强的循环使用性能。
(4)原料便宜、工艺简单、易实现规模化生产。
附图说明
图1材料制备的工艺流程示意图。
图2Al/Al2O3复合材料微的结构示意图；
图中：1为氧化铝；2为铝。
具体实施方式
下面以实例进一步说明本发明的实质内容，但本发明的内容并不限于此。
实施例1
1)实施条件
在700℃下使用雾化装置对铝液进行雾化，雾化后的小液滴在400℃的氧化室内进行冷却，氧化性气氛为水蒸气，氩气作为水蒸气的载气。冷却后得到的Al2O3/Al蓄热材料粒度为(直径)1000μm，其中金属铝核心直径(直径)600μm。在压样机中于12Mpa的压力，保压时间20min条件下压制成
的压坯。送入空气气氛围的烧结窑中烧结，在800℃下保温烧结1.5小时，获得成品。
2)实施结果
成品的烧结强度很高。热膨胀系数为0.12，烧结密度为2.87g/cm3，孔隙率为16-21％，导热系数为34.98w/m·k，800-825℃时的蓄热密度为1520kJ/kg。
实施例2
1)实施条件
在700℃下使用雾化装置对铝液进行雾化，雾化后的小液滴在500℃的氧化室内进行冷却，氧化性气氛为二氧化碳。冷却后得到的Al2O3/Al蓄热材料粒度为(直径)1500μm，其中金属铝核心直径(直径)700μm。在压样机中于12Mpa的压力，保压时间20min条件下压制成
的压坯。送入空气气氛围的烧结窑中烧结，在800℃下保温烧结1.5小时，获得成品。
2)实施结果
成品的烧结强度很高。热膨胀系数为0.16，烧结密度为3.27g/cm3，孔隙率为20-25％，导热系数为30.48w/m·k，800-825℃时的蓄热密度为1320kJ/kg。
实施例3
1)实施条件
在700℃下使用雾化装置对铝液进行雾化，雾化后的小液滴在300℃的氧化室内进行冷却，氧化性气氛为空气。冷却后得到的Al2O3/Al蓄热材料粒度为(直径)800μm，其中金属铝核心直径(直径)300μm。在压样机中于12Mpa的压力，保压时间20min条件下压制成
的压坯。送入空气气氛围的烧结窑中烧结，在800℃下保温烧结1.5小时，获得成品。
2)实施结果
成品的烧结强度很高。热膨胀系数为0.12，烧结密度为2.68g/cm3，孔隙率为18-22％，导热系数为40.48w/m·k，800-825℃时的蓄热密度为1520kJ/kg。
本发明氧化性气氛可以使用经过惰性气体稀释过的氧气、水蒸气、二氧化碳或者空气。本发明制备方法简单、易于规模化生产。
Claims (6)
1.一种Al/Al2O3蓄热材料，其特征在于：Al2O3/Al蓄热材料是以氧化铝为基体材料的，球形金属铝“核”被一层氧化铝“外壳”包裹住，所述的Al2O3/Al蓄热材料直径1000μm，其中金属铝核心直径为600μm，所述Al2O3/Al蓄热材料在蓄热过程中金属铝吸收热量从固态变为液态并且升高温度，同时外层的氧化铝层也会吸收热量温度升高，而在换热过程中金属液态铝释放潜热与显热，氧化铝外壳释放显热。
2.一种Al/Al2O3蓄热材料的制备方法，其特征在于包含以下步骤：将液态的金属铝，通过雾化装置雾化成细小的颗粒，细小的金属铝液体颗粒在氧化性气氛下冷却并将外层金属铝氧化，以形成以金属铝为“核”，氧化铝为“外壳”的Al/Al2O3相变蓄热材料，冷却后得到的Al2O3/Al蓄热材料直径1000μm，其中金属铝核心直径为600μm，再在压样机压制成压坯，随后送入空气气氛围的烧结窑中烧结获得成品。
3.根据权利要求2所述的一种Al/Al2O3蓄热材料的制备方法，其特征在于所述的氧化性气氛可以使用经过惰性气体稀释过的氧气、水蒸气、二氧化碳或者空气。
4.根据权利要求2所述的一种Al/Al2O3蓄热材料的制备方法，其特征在于所述的液态的金属铝的温度为700℃，氧化性气氛下冷却温度为400℃。
5.根据权利要求2所述的一种Al/Al2O3蓄热材料的制备方法，其特征在于所述的压样机中的压力为12Mpa的压力，保压时间为20min，压坯
6.根据权利要求2所述的一种Al/Al2O3蓄热材料的制备方法，其特征在于所述的烧结窑中烧结时，温度为800℃下，保温烧结时间为1.5小时。
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