CN109338135A - 一种核壳结构Al@Ti-Al2O3相变蓄热复合材料及制备方法 - Google Patents

一种核壳结构Al@Ti-Al2O3相变蓄热复合材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种核壳结构Al@Ti‑Al2O3相变蓄热复合材料及制备方法，首先采用机械合金化方法制备核壳结构Al@Ti微球粒粉末，制备过程中通过调整Al/Ti配比及球磨参数以获得结构可设计的核壳结构Al@Ti微球粒粉末。再采用热压烧结的方法制备核壳结构Al@Ti‑Al2O3相变蓄热复合材料，烧结过程中通过调整Al@Ti微球粒粉末与Al2O3陶瓷粉末配比、烧结温度、保温时间、成型压力以获得蓄热性能可设计的Al@Ti‑Al2O3复合材料。利用该方法制备的相变蓄热复合材料能够增大传热面积，减小相变材料与外部环境的反应，降低对盛装容器的腐蚀，减小相变材料的体积变化与相变过程的材料流失以及相变特性的改变。

Description

一种核壳结构Al@Ti-Al2O3相变蓄热复合材料及制备方法
技术领域
本发明属于相变复合材料及制备方法，涉及一种核壳结构Al@Ti-Al2O3相变蓄热复合材料及制备方法。更具体涉及一种通过机械合金化制备出核壳结构Al@Ti微球粒粉末，然后和Al2O3陶瓷粉末热压烧结固化，最终获得所设计的核壳结构高温相变蓄热复合材料的一种制备方法。
背景技术
潜热蓄热材料也称为相变蓄热材料，它利用材料在相变时，能从环境中吸收或放出热量，从而达到热能的存储与释放的目的。
低温相变材料(<120℃)和中温相变材料(120℃～250℃)，主要用于太阳能取暖设备、热负荷的移峰填谷、新型节能建筑材料和冰箱空调等；高温相变材料(>250℃) 主要有：高温熔融盐、混合盐、氧化物和金属及合金等。高温相变蓄热材料蓄热密度高，其蓄热装置结构紧凑，而且吸热-放热过程近似等温，并易于运行控制和管理，已在太阳能热发电、航空航天、高温蓄热电采暖器等领域得到成功应用。
金属铝是常用的高温相变材料，相变潜热高达400kJ/kg，导热系数高达 237W/(m·K)，并具有很高的蓄热密度，其熔点为660℃左右。然而，熔化的铝液腐蚀性特别强，因此铝基相变蓄热的基体材料大都选用Al2O3、MgO和SiO2等耐高温和耐腐蚀的氧化物或复合氧化物陶瓷材料，形成了一类性能独特的高温相变蓄热复合材料。
在相变过程中所产生的液相Al具有较强的化学反应活性，极易被氧化形成化合物，且陶瓷基体空隙多，熔化铝流动性强，容易造成相变材料的流失，最终导致相变蓄热的循环稳定性差，因此必须对相变材料进行封装。经过封装后的相变材料具有很多优点，如传热面积增大，减小了相变材料与外部环境的反应以及降低对盛装容器的腐蚀，此外还可以减小相变带来的体积变化、相变复合材料构型的改变以及相变材料的流失等。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种核壳结构Al@Ti-Al2O3相变蓄热复合材料及制备方法，选用金属Ti作为相变材料Al的封装材料，通过机械合金化方法制备出核壳结构Al@Ti微球粒粉末，然后与Al2O3陶瓷粉末固化烧结，从而获得核壳结构Al@Ti-Al2O3相变蓄热复合材料。核壳结构Al@Ti-Al2O3相变蓄热复合材料增大了传热面积，减小了相变材料和外部环境的反应以及降低了相变材料对盛装容器的腐蚀，减小了相变时的体积变化和相变材料的流失以及相变特性的改变。
技术方案
一种核壳结构Al@Ti-Al2O3相变蓄热复合材料，其特征在于包括核壳结构Al@Ti 微球粒粉末和Al2O3陶瓷基；核壳结构Al@Ti微球粒粉末嵌入Al2O3陶瓷基中，所述核壳结构Al@Ti微球粒粉末核心为Al微球，外层为Ti，中间为金属间化合物的过渡层。
一种所述核壳结构Al@Ti-Al2O3相变蓄热复合材料的制备方法，其特征在于步骤如下：
步骤1、核壳结构Al@Ti微球粒粉末的制备：将Ti/Al粉末与不锈钢磨球装入球磨罐内抽真空，并在行星球磨机里以250～300r/min的速率正、反转混合，转10～20min 停5min，球磨总时长10～30h得到核壳结构Al@Ti微球粒粉末；所述Ti/Al粉末的质量比为1:1～5:1；
步骤2、Al@Ti-Al2O3相变蓄热复合材料的制备：将核壳结构Al@Ti微球粒粉末与Al2O3陶瓷粉末装入球磨罐内抽真空，在行星球磨机里以140～150r/min的速率单向转动混合，球磨总时长2～3h；取出球磨后的粉末，在真空热压烧结炉内以5～15℃/min 的升温速率升温至750℃，加压10kN，保温30～50min，随炉冷却至室温后取出，得到核壳结构Al@Ti-Al2O3相变蓄热复合材料。
所述不锈钢磨球总质量为500g，包括大磨球、中磨球和小磨球。
所述大磨球、中磨球与小磨球的质量比为2:5:3。
所述大磨球直径为10mm，中磨球直径为8mm，小磨球直径为5mm。
所述Ti/Al粉末的质量比为3:1。
所述Ti粉粒径为300目。
所述Al粉粒径为50目。
有益效果
本发明提出的一种核壳结构Al@Ti-Al2O3相变蓄热复合材料及制备方法，首先采用机械合金化方法制备核壳结构Al@Ti微球粒粉末，制备过程中通过调整Al/Ti配比及球磨参数以获得结构可设计的核壳结构Al@Ti微球粒粉末。再采用热压烧结的方法制备核壳结构Al@Ti-Al2O3相变蓄热复合材料，烧结过程中通过调整Al@Ti微球粒粉末与Al2O3陶瓷粉末配比、烧结温度、保温时间、成型压力以获得蓄热性能可设计的 Al@Ti-Al2O3复合材料。
选用金属钛作为相变材料铝核的封装材料。钛作为封装壳时其熔点为1660±10℃，沸点为3287℃。当铝发生相变时，钛可以保持良好的物理特性与稳定的封装结构及性能，且钛、铝形成金属间化合物作为过渡层，因此核壳结构Al@Ti-Al2O3相变复合材料界面友好。由钛和钛铝金属间化合物过渡层形成封装外壳，并由低熔点铝作为相变材料成为内核，组成的核壳结构蓄热微球粒材料最终弥散分布在耐高温陶瓷基体Al2O3中使用。
采用机械合金化方法制备核壳结构的微球粒粉末，并通过与耐高温的基体材料粉末热压烧结，制备出高温相变蓄热复合材料。
机械合金化技术是一种非平衡态的固态粉末冶金化技术，该技术过程是一个复杂的材料反应和结构控制的过程，采用的高能球磨技术是一种有效的机械合金化方法。工艺实施中，将铝粉和更为细小的钛粉混合，进行球磨，并在磨球的撞击下，粉末发生变形。由于铝粉颗粒较大塑性较好，而钛粉颗粒较小且硬度较高，为此钛粉小颗粒会在球磨过程中不断嵌入到大颗粒的铝中，并最终在铝颗粒表面形成钛。到了球磨后期，钛颗粒完全包裹了铝颗粒。由于球磨过程的冷焊作用，钛、铝接触面就形成金属间化合物，致使钛铝结合界面的相容性更好。
球磨后颗粒之间的结合在很大程度上是冷焊产生的机械嵌合，后续烧结使得颗粒之间产生物理或化学的强结合，从而获得所设计的微观结构和力学性能。球磨后的粉末由于比表面积大，因此具有更大的表面能，并且粉末粒子内部存储着各种晶格缺陷产生的能量。此时的粉末体系处于高能量的亚稳状态，它具有向低能量稳定状态转变的趋势，这就为后续烧结过程提供了驱动力。
热压烧结过程中，要将干燥粉料充填入模具内，再从单轴方向边加压、边加热，使成型和烧结同时完成。热压烧结时，粉体处于热塑性状态，形变阻力相对较小，易于塑性流动和致密化。由于热烧结时，加热和加压同时进行，从而有助于粉末颗粒的接触和流动等传质过程的进行，降低了烧结温度，缩短了烧结时间，进而抑制了晶粒的过度长大。
利用该方法制备的相变蓄热复合材料能够增大传热面积，减小相变材料与外部环境的反应，降低对盛装容器的腐蚀，减小相变材料的体积变化与相变过程的材料流失以及相变特性的改变。
附图说明
图1：为核壳结构示意图，中间过渡层为金属间化合物
图2：为Al@Ti-Al2O3相变蓄热复合材料的三维结构示意图
图3：为复合材料截面示意图，颗粒为核壳结构Al@Ti微球粒，矩形代表Al2O3陶瓷基体。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
实施案例1
(1)核壳结构Al@Ti微球粒粉末的制备
取粒径为325目的钛粉15g，再取粒径为50目的铝粉5g，同500g不锈钢磨球装入球磨罐内抽真空(使压强降到0.1Pa以下)，并在行星球磨机里以300r/min的转速正、反转混合，转10min停5min，球磨总时长20h，进行机械合金化得到核壳结构Al@Ti 微球粒粉末。
(2)Al@Ti-Al2O3相变蓄热复合材料的制备
取上述制备的核壳结构Al@Ti微球粒粉末5g与40g Al2O3陶瓷粉末配比，同500g 不锈钢磨球装入球磨罐内抽真空(使压强降到0.1Pa以下)，在行星球磨机以145r/min 的速率单向转动混合，球磨总时长2h；取出球磨后的粉末，在真空热压烧结炉内以 10℃/min的升温速率升温至750℃，加压10kN，保温30min，随炉冷却至室温后取出，得到核壳结构Al@Ti-Al2O3相变蓄热复合材料。
实施案例2
(1)核壳结构Al@Ti微球粒粉末的制备
取直径为325目的钛粉15g，再取直径为50目的铝粉5g，同500g不锈钢磨球装入球磨罐内抽真空(使压强降到0.1Pa以下)，并在行星球磨机里以300r/min的转速正、反转混合，转10min停5min，球磨总时长20h得到核壳结构Al@Ti微球粒粉末。
(2)Al@Ti-Al2O3相变蓄热复合材料的制备
称取上述制备的核壳结构Al@Ti微球粒粉末5g与45g Al2O3陶瓷粉末配比，同 500g不锈钢磨球装入球磨罐内抽真空(使压强降到0.1Pa以下)，在行星球磨机以 145r/min的速率单向转动混合，球磨总时长2h；取出球磨后的粉末，在真空热压烧结炉内以10℃/min的升温速率升温至750℃，加压10kN，保温30min，随炉冷却至室温后取出，得到核壳结构Al@Ti-Al2O3相变蓄热复合材料。
实施案例3
(1)核壳结构Al@Ti微球粒粉末的制备
取直径为325目的钛粉15g，再取直径为50目的铝粉6g，同500g不锈钢磨球装入球磨罐内抽真空(使压强降到0.1Pa以下)，并在行星球磨机里以300r/min的转速正、反转混合，转10min停5min，球磨总时长20h得到核壳结构Al@Ti微球粒粉末。
(2)Al@Ti-Al2O3相变蓄热复合材料的制备
称取上述制备的核壳结构Al@Ti微球粒粉末5g与40g Al2O3陶瓷粉末配比，同 500g不锈钢磨球装入球磨罐内抽真空(使压强降到0.1Pa以下)，在行星球磨机以 145r/min的速率单向转动混合，球磨总时长2h；取出球磨后的粉末，在真空热压烧结炉内以10℃/min的升温速率升温至750℃，加压10kN，保温30min，随炉冷却至室温后取出，得到核壳结构Al@Ti-Al2O3相变蓄热复合材料。

Claims (8)

1.一种核壳结构Al@Ti-Al2O3相变蓄热复合材料，其特征在于包括核壳结构Al@Ti微球粒粉末和Al2O3陶瓷基；核壳结构Al@Ti微球粒粉末嵌入Al2O3陶瓷基中，所述核壳结构Al@Ti微球粒粉末核心为Al微球，外层为Ti，中间为金属间化合物的过渡层。
2.一种权利要求1所述核壳结构Al@Ti-Al2O3相变蓄热复合材料的制备方法，其特征在于步骤如下：
步骤1、核壳结构Al@Ti微球粒粉末的制备：将Ti/Al粉末与不锈钢磨球装入球磨罐内抽真空，并在行星球磨机里以250～300r/min的速率正、反转混合，转10～20min停5min，球磨总时长10～30h得到核壳结构Al@Ti微球粒粉末；所述Ti/Al粉末的质量比为1:1～5:1；
步骤2、Al@Ti-Al2O3相变蓄热复合材料的制备：将核壳结构Al@Ti微球粒粉末与Al2O3陶瓷粉末装入球磨罐内抽真空，在行星球磨机里以140～150r/min的速率单向转动混合，球磨总时长2～3h；取出球磨后的粉末，在真空热压烧结炉内以5～15℃/min的升温速率升温至750℃，加压10kN，保温30～50min，随炉冷却至室温后取出，得到核壳结构Al@Ti-Al2O3相变蓄热复合材料。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述不锈钢磨球总质量为500g，包括大磨球、中磨球和小磨球。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于：所述大磨球、中磨球与小磨球的质量比为2:5:3。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于：所述大磨球直径为10mm，中磨球直径为8mm，小磨球直径为5mm。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述Ti/Al粉末的质量比为3:1。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述Ti粉粒径为300目。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述Al粉粒径为50目。
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