CN103361534A

CN103361534A - 一种具有相变蓄热功能的金属陶瓷及其制造方法

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Publication number: CN103361534A
Application number: CN201310293700XA
Authority: CN
Inventors: 曹南萍
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-07-15
Filing date: 2013-07-15
Publication date: 2013-10-23

Abstract

本发明公开了一种具有相变蓄热功能的金属陶瓷及其制造方法，以铝硅合金粉或其改性粉和刚玉粉为原料，外加MgO为烧结助剂，经原料称量、干法混合、细磨、成形、烧成得到相变温度为580~590℃、相变潜热为55~69J/g、蓄热密度为188~206J/g的金属陶瓷。本发明产品具有蓄放热密度大、导热系数高、蓄放热速度快、抗急冷急热性好、机械强度高、耐氧化耐腐蚀、使用寿命长的特点，可广泛适用于电力负荷峰谷平衡调节、间歇性周期性新能源（太阳能、风能、海洋潮汐能）的收集和连续化利用，以及各种余热、废热的回收和再利用，同时本发明具有反应原料便宜、工艺简单、合成温度低等突出优点，适合工业化大生产。

Description

一种具有相变蓄热功能的金属陶瓷及其制造方法

技术领域

本发明涉及金属陶瓷制备技术领域，具体涉及一种具有相变蓄热功能的金属陶瓷及其制造方法。

背景技术

金属陶瓷是指1-2种陶瓷相和金属或合金组合而成的烧结物，其中陶瓷相所占比例为15-85%，在制造温度下，金属相和陶瓷相之间互溶解度较小。金属陶瓷既保持了陶瓷的高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、抗化学侵蚀等特性，又具有金属的高导热性、高韧性、高热稳定性和高可塑性（延展性）的优点，因而有比金属或陶瓷更广阔的应用领域，可以承担越来越多的重任。

蓄、放热技术系利用蓄能材料将能量暂时蓄积存储起来，在需要能源时再释放出来的一种技术，它既可以解决能量供求在时间、空间上不相匹配的矛盾，如收集和连续化利用间歇性周期性的新能源（太阳能、风能、海洋潮汐能），平衡电力负荷的峰谷差，又可以高效回收和再利用各种余热、废热或余冷、废冷等能源，是节约能源、保护环境的重要、有效手段。目前的蓄热方式主要有显热储能、潜热储能和化学反应储能。

潜热储能也称为相变储能,它是利用相变过程中吸收或放出相变潜热的原理来进行能量储存的，与显热储能相比，相变储能具有蓄热密度大、相变温度选择范围宽、相变时的温度稳定、蓄(放)热过程近似等温、过程易控制，以及装置简单体积小、设计灵活等优点，成为目前能源领域、材料科学领域中的热点，应用越来越广泛。相变蓄热材料有固/固和固/液型相变材料，而固液型相变材料在使用时会发生固态到液态的转化，因此对于相变材料的封装是至关重要的，而定形复合相变蓄热材料不仅不需要封装,而且还增加了材料使用的安全性，减少了容器的传热阻力，提高了换热面积，有利于相变与传热介质之间的换热，视不同的场合和需要，可以制成球形、拉西环形、蜂窝形，因此，把固液型相变材料制成定形材料是具有较高社会价值和经济价值的研究课题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高效节能、制备工艺简单、合成温度低的具有相变蓄热功能的金属陶瓷及其制造方法。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案是：一种具有相变蓄热功能的金属陶瓷，其特征在于：按重量百分比以15~40wt%铝硅合金粉或其改性粉和60~85wt%刚玉粉为原料，外加0.1~0.5wt%MgO为烧结助剂和可以烧失的有机粘结剂和油脂为成形助剂，经原料称量、干法混合、细磨、成形、烧成得到相变温度为580~590℃、相变潜热为55~69J/g、蓄热密度为188~206J/g的金属陶瓷。

所述铝硅合金粉优选含硅10~15 wt %、细度为170或200目的Al-Si共晶合金粉。

所述刚玉粉的Al₂O₃含量大于99%、细度大于325目，主晶相为α-Al₂O₃。

所述MgO为工业级氧化镁粉，纯度大于99%，细度大于325目。

所述改性型铝硅合金粉，为在铝硅合金粉中添加2~6wt %改性剂通过表面改性工艺制得。

所述改性剂为硬脂酸、油酸、硅烷偶联剂中的一种或两种。

所述烧成温度为940~970℃，保温时间为2~3小时。

所述成形时根据产品形状的不同，添加聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、羟丙基甲基纤维素、油脂中的一种或两种为成形助剂。

一种权利要求1所述的金属陶瓷的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）在装有高铝瓷球的球磨机或振动磨中，先加入铝硅合金粉总重的一半的料，加入硅烷偶联剂或硬脂酸或油酸或硅烷偶联剂与硬脂酸组合物中的一种，然后再加入另一半重量的铝硅合金粉，经过球磨后得改性铝硅合金粉备用；

（2）称取一定量的刚玉粉和MgO粉，用装有氧化铝瓷球的球磨机，先干法混磨1~2小时；

（3）然后称取一定量的铝硅合金粉或其改性粉，加入（2）工序球磨机中，继续混磨3~5小时;

（4）球磨后原料添加成形助剂后经成型加工、烘干、装入窑内；

（5）烧成时，在常温~570℃阶段，控制升温速度≤5℃/分钟，并保持窑内高度的氧化焰，在570℃至最高温度阶段，控制升温速度14~15℃/分钟，防止合金熔体渗出，在940~970℃高火保温2~3小时后，即可止火、自然冷却获得制品。

所述第（4）步中的成型加工工艺包括搪粒成形、压制成形、挤出成型；所述第（5）步制得制品的形状为球形、拉西环形、蜂窝形。

本发明对铝硅合金粉进行表面改性的目的在于：由于铝硅合金的Al与水会发生反应：2Al+6H₂O—2Al（OH）₃+3H₂，故对铝硅合金粉进行表面改性，使其表面包覆一层憎水有机物，阻止水与Al接触。

本发明利用Al-Si合金较高的蓄热密度和导热系数，良好的抗高温氧化性能，以及与其他蓄热介质相比有明显的性价比的优势，以刚玉陶瓷为载体，选用合适的Al-Si合金与Al₂O₃的比例，以陶瓷工艺制备出铝/铝硅合金相变蓄热陶瓷，为节约利用能源提供了一种经济、高效、长寿命的蓄热体，其相变温度为580~590℃，相变潜热可达55~69J/g,蓄热密度188~206 J/g,且机械强度大，耐磨，适用于电力负荷峰谷平衡调节、间歇性周期性新能源（太阳能、风能、海洋潮汐能）的收集和连续化利用，以及各种余热、废热的回收和再利用。产品可制作成多种形状，包括球形、拉西环形、蜂窝形，特别是制成蜂窝陶瓷，具有单位体积换热面积大（920~3000㎡/m³）、流通阻力小（相比于球形、拉西环形蓄热体，阻力要小上1~2个数量级）、机械强度高（轴向抗压强度≥19Mpa）之优点，故既可以在储热装置中作为蓄放热体，又可以作为由热源流向蓄热器、或由放热器流向用能装置的管道，同时起到能流的输送渠道和蓄、放热容器的作用，从而大大减少土地占用和建筑造价,因此该产品具有广阔的市场前景。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

（1）、称取60kg325目的刚玉粉和0.45kg325目的的MgO粉，用装有氧化铝瓷球的球磨机，先干法混磨1小时；

（2）、称取40kg200目的铝硅合金粉，加入（1）工序的球磨机中，再混磨3小时；

（3）、配制聚乙烯醇溶液：将250g的聚乙烯醇边加料边搅拌分散于4750g的水中（40℃以下温度），然后加温到95℃左右加速溶解，并保温2小时，直到溶液不含有微小颗粒，再经过28目不锈钢筛过滤杂质后，即可备用；

（4）、将聚乙烯醇溶液均匀喷洒到（2）工序制得的粉料中，边喷洒边搅拌，混匀后过24目筛，在30℃以下环境里密闭陈腐6小时后即可使用；

（5）、用液压机双向加压或以等静压机万向加压压制成拉西环形或球形（含开孔球）半成品，烘干；

（6）、将半成品装入窑炉内煅烧。常温~570℃阶段，控制升温速度5℃/分钟，保持窑内高浓度氧化焰，以充分氧化掉聚乙烯醇；在570℃直至最高温度阶段，控制升温速度15℃/分钟；在940~950℃高火保温2小时后，即可止火、自然冷却，得到相变温度为586℃、相变潜热为69J/g、蓄热密度为206J/g的金属陶瓷。

实施例2

（1）、在装有高铝瓷球的球磨机中，先加入17.5kg170目的铝硅合金粉，加入1.05kg的油酸，再加入17.5kg170目的铝硅合金粉，盖好机盖后，开动磨机，细磨、混合8小时，出料，得改性铝硅合金粉；

（2）、称取65kg325目的刚玉粉和0.5kg325目的MgO粉，用装有氧化铝瓷球的球磨机，先干法混磨1小时；

（3）、称取35 kg的已改性铝硅合金粉，加入工序（2）的球磨机中，再混磨4小时，出料后，得到干坯粉；

（4）、取10kg的干坯粉，喷入500g含有5%PVA的水溶液，混匀后用液压机压块，然后破碎，过筛，得到3mm的颗粒，作为搪粒成球的种籽；

（5）、将种籽倒入搪粒机内，开机，喷入含有5%PVA的水溶液，舀入（3）工序制得的干坯粉，逐步将球粒滚大，重复喷水、撒粉工序，即可将球粒滚动成形至需要的规格，最后出料前再撒上325目以细的刚玉粉，使球体搪上薄薄的一层刚玉，起到防止蓄热球干燥和烧成时互相粘连的作用，然后烘干；

（6）、将半成品装入窑炉内煅烧。在常温~570℃阶段，升温速度4℃/分钟，并保持窑内为氧化气氛，以充分氧化掉PVA和油酸；在铝硅合金开始熔融的570℃直至最高温度阶段，控制升温速度15℃/分钟；在940~960℃高火保温2小时后，即可止火、自然冷却，得到相变温度为585℃、相变潜热为66J/g、蓄热密度为202J/g的金属陶瓷。

实施例3

（1）、在装有高铝瓷球的球磨机中，先加入15kg170目的铝硅合金粉，加入0.75kg（干基计）硅烷偶联剂KH570（已用乙醇水解），再加入15kg170目的铝硅合金粉，盖好机盖后，开动磨机，细磨、混合8小时，出料，得改性铝硅合金粉；

（2）、称取70kg325目的刚玉粉和0.5kg325目的MgO粉，用装有氧化铝瓷球的球磨机，先干法混磨2小时；

（3）、称取2.5kg羟丙基甲基纤维素，加入工序（2）的球磨机中，称取30kg的改性铝硅合金粉，加入工序（2）的球磨机中，开机混磨5小时，出料后，得到干坯粉；

（4）、将干坯粉投入于捏合机中，开机，在桨叶搅动坯粉的过程中喷入8kg蒸馏水，待粉料中的水分均匀后，即加入甘油4kg、桐油4kg、菜油6kg，继续捏合搅匀。视情况，可在油脂与粉料混匀后再加4kg蒸馏水；

（5）余下工艺同蜂窝陶瓷的常规制法：练泥机粗练→真空练泥机脱气、精练→活塞式真空挤出机成形→定形、烘干→检选、修坯；

（6）、将半成品装入窑炉内煅烧。在常温~570℃阶段，升温速度3℃/分钟，保持窑内高浓度氧化焰，以充分氧化掉羟丙基甲基纤维素和油脂；在570℃直至最高温度阶段，控制升温速度14℃/分钟；在950~970℃高火保温3小时后，即可止火、自然冷却，得到相变温度为584℃、相变潜热为55J/g、蓄热密度为188 J/g、轴向抗压强度20.9mPa(50cell/in²方孔)的蜂巢形金属陶瓷,其几何表面积为920m²/m³。

Claims

1.一种具有相变蓄热功能的金属陶瓷，其特征在于：按重量百分比以15~40wt%铝硅合金粉或其改性粉和60~85wt%刚玉粉为原料，外加0.1~0.5wt%MgO为烧结助剂和可以烧失的有机粘结剂和油脂为成形助剂，经原料称量、干法混合、细磨、成形、烧成得到相变温度为580~590℃、相变潜热为55~69J/g、蓄热密度为188~206 J/g的金属陶瓷。

2.根据权利要求1所述的金属陶瓷，其特征在于：所述铝硅合金粉优选含硅10~15 wt %、细度为170或200目的Al-Si共晶合金粉。

3.根据权利要求1所述的金属陶瓷，其特征在于：所述刚玉粉的Al₂O₃含量大于99%、细度大于325目，主晶相为α-Al₂O₃。

4.根据权利要求1所述的金属陶瓷，其特征在于：所述MgO为工业级氧化镁粉，纯度大于99%，细度大于325目。

5.根据权利要求1所述的金属陶瓷，其特征在于：所述改性型铝硅合金粉，为在铝硅合金粉中添加2~6wt %改性剂通过表面改性工艺制得。

6.根据权利要求5所述的金属陶瓷，其特征在于：所述改性剂为硬脂酸、油酸、硅烷偶联剂中的一种或两种。

7.根据权利要求1所述的金属陶瓷，其特征在于：所述烧成温度为940~970℃，保温时间为2~3小时。

8.根据权利要求1所述的金属陶瓷，其特征在于：所述成形时根据产品形状的不同，添加聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、羟丙基甲基纤维素、油脂中的一种或两种为成形助剂。

9.根据权利要求1所述的金属陶瓷的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

（3）然后称取一定量的铝硅合金粉或其改性粉，加入工序（2）球磨机中，继续混磨3~5小时;

（5）烧成时，在常温~570℃阶段，控制升温速度≤5℃/分钟，并保持窑内高浓度的氧化焰，在570℃至最高温度阶段，控制升温速度14~15℃/分钟，防止铝硅合金熔体渗出，在930~970℃高火保温2~3小时后，即可止火、自然冷却获得制品。

10.根据权利要求9所述的金属陶瓷的制备方法，其特征在于：所述第（4）步中的成型加工工艺包括搪粒成形、压制成形、挤出成型；所述第（5）步制得制品的形状为球形、拉西环形、蜂窝形。