CN110195196B - 一种[碳纤维网-富硅/贫硅]层状铝基复合相变储能材料及其制备装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种[碳纤维网‑富硅/贫硅]层状铝基复合相变储能材料及其制备装置和方法。其材料的外层是以碳纤维网增强高硅铝合金作为支撑外壳和内层是铝硅共晶合金的作为相变储能材料，其中外层碳纤维网增强高硅铝合金中硅的质量分数为80％～90％，铝的质量分数为20％～10％；内层铝硅共晶合金中硅的质量分数为12.6％，铝的质量分数为87.4％。本发明所制备的[碳纤维网‑富硅/贫硅]层状铝基复合相变储能材料表现出优异的热循环结构稳定性，从根本上解决储能材料与盛装容器的腐蚀性问题。在热循环相变储能过程中，外层的碳纤维网‑富硅层可作为外壳来支撑内部共晶铝硅相变储能合金，从而省略了铁基封装容器直接用于中高温相变蓄热装置。

Description

一种[碳纤维网-富硅/贫硅]层状铝基复合相变储能材料及其 制备装置和方法
技术领域
本发明涉及一种[碳纤维网-富硅/贫硅]层状铝基复合相变储能材料及其制备装置和方法，属于相变储能材料技术领域。
背景技术
现今社会的能源危机正使得人们迫切地寻求高效的能源利用方式和清洁能源以减少对传统化石能源的依赖。相变储能材料是一种可以通过熔化/凝固过程吸收/释放大量的相变潜热的材料，具有储能密度高、能量传输过程稳定和易与运行系统匹配的等特殊优点，被广泛应用于热能存储与转化领域。
共晶铝硅合金，即Al-12.6wt.％Si合金，具有相变温度高、潜热大、导热系数高、储能密度大以及资源丰富的特点，在中高温储能领域极具发展应用前景。然而，共晶铝硅合金作为相变储能材料所面临的最大的挑战是对铁基封装容器具有高度腐蚀性(共晶铝硅合金熔体需要通过铁基容器进行盛装，在相变储能过程中铝合金熔体对铁基容器具有强烈的腐蚀性)，这限制了其长期和大规模应用。为防止或减缓共晶铝硅合金熔体对铁基容器的浸蚀，国内外科研团队主要采用两种策略：一种是通过陶瓷涂料、热浸镀铝、化学渗硼、动力喷涂金属陶瓷等技术对铁基储热容器进行表面陶瓷化处理，避免共晶铝硅合金熔体与铁基容器直接接触。另一种是利用溶胶-凝胶法在共晶铝硅合金颗粒表面包覆Al2O3壳层，构建共晶铝硅@陶瓷核壳结构微粒，进行共晶铝硅合金熔体微胶囊封装。毋庸置疑，国内外学者通过陶瓷隔离思路对共晶铝硅合金相变储热技术的发展和应用固然是有益的。但以增加陶瓷层来抗铝液腐蚀的各种措施，仍无法彻底解决陶瓷层与基体间热膨胀系数差异而导致的耐腐蚀层热循环开裂等关键瓶颈问题，难以满足太阳能热发电工业发展的需要。
发明内容
(一)要解决的关键问题
为根本上解决储能材料与盛装铁基容器的腐蚀性问题，本发明提供了一种[碳纤维网-富硅/贫硅]层状铝基复合相变储能材料，所提供的材料在热循环过程中表现出优异的热循环结构稳定性。本发明还提供一种[碳纤维网-富硅/贫硅]层状铝基复合相变储能材料的制备装置及方法，通过旋转磁场和温度梯度耦合控制过共晶铝硅合金凝固过程以实现[碳纤维网-富硅/贫硅]层状结构电磁连续构筑，制备出大尺寸[碳纤维网-富硅/贫硅]层状铝基复合相变储能材料。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种[碳纤维网-富硅/贫硅]层状铝基复合相变储能材料，其包括：外层以碳纤维网增强高硅铝合金作为支撑外壳和内层以共晶铝硅合金的作为相变储能材料，其中，外层与内层r的结构尺寸比例(R-r)/r为1:1～1:4，碳纤维网格尺寸为1～4mm，所述在外层碳纤维网-富硅层中硅的质量分数为85％～90％，铝的质量分数为15％～10％；所述在内层的共晶铝硅合金中硅的质量分数为12.6％，铝的质量分数为87.4％。其中，外层的厚度表示为R-r，内层的半径为r。
一种[碳纤维网-富硅/贫硅]层状铝基复合相变储能材料的制备装置，其包括电阻熔炼炉、浇注盘、旋转磁场发生单元、温度梯度控制单元、牵引下拉装置、分节石墨体模具的碳纤维网，其中，所述电阻熔炼炉和浇注盘设于所述旋转磁场发生单元的上方，所述温度梯度控制单元设于旋转磁场发生单元中心部区域，所述分节石墨体模具组装并置于温度梯度控制单元的内腔中，所述分节石墨体模具的下端设有牵引下拉装置，并安装在牵引下拉装置上实现垂直向下牵引运动，碳纤维网设于分节石墨体模具内并固定在牵引下拉装置上。
如上所述的一种[碳纤维网-富硅/贫硅]层状铝基复合相变储能材料的制备装置，优选地，所述温度梯度控制单元包括保温电阻炉、气体冷却环和温度采集记录装置，所述保温电阻炉设于分节石墨体模具与旋转磁场发生单元之间，所述气体冷却环设于分节石墨体模具的下端，设于分节石墨体模具的外围；并且保证保温电阻炉、分节石墨体模具、旋转磁场发生单元三者中轴线重合。
如上所述的一种[碳纤维网-富硅/贫硅]层状铝基复合相变储能材料的制备装置，优选地，所述分节石墨体模具由石墨环在下拉过程中一节一节装配构成。
如上所述的一种[碳纤维网-富硅/贫硅]层状铝基复合相变储能材料的制备装置，优选地，所述碳纤维网的网格尺寸为1～4mm，距离分节石墨体模具的内表面1mm。
一种[碳纤维网-富硅/贫硅]层状铝基复合相变储能材料的制备方法，其包括如下步骤：
S1.将工业铝在电阻熔炼炉中熔化之后加入块儿状冶金硅，在电阻熔炼炉中熔炼成合金熔体并保温30min，在保温期间不断地用石墨棒进行搅拌，从而获得成分均匀的过共晶铝硅合金熔体；
S2.将碳纤维网固定到牵引下拉装置上，并调整与分节石墨体模具间的距离；随后开启旋转磁场内腔电阻保温炉对分节石墨体模具进行预热处理，待分节石墨体模具温度达到浇注温度后，随后打开气体冷却装置气阀以冷却分节石墨体模，在分节石墨体模具轴向方向上建立所需的温度梯度；
S3.通过浇注盘向分节石墨体模具浇注步骤S1获得的合金熔体，当合金熔体在分节石墨体模具中液面达到指定高度旋转磁场高度的1/2时，开启旋转磁场，同时启动牵引装置，进行初生硅电磁分离；在下拉过程中，一节一节地安装石墨环，实现过共晶铝硅合金电磁连续铸造过程中[碳纤维网-富硅/贫硅]层状结构连续构筑，最终制备出大尺寸[碳纤维网-富硅/贫硅]层状铝基复合相变储能材料连铸铸锭。
在一个优选的实施方案中，在步骤S1中，所述冶金硅与工业铝的按照质量比25～40:75～60进行配制，这样所述过共晶铝硅合金中硅含量为25～40％。
在一个优选的实施方案中，在步骤S2中，所述碳纤维网的网格尺寸为1～4mm；碳纤维网与分节石墨体模具内表面的距离为1mm；所述浇注温度为800～900℃。
在一个优选的实施方案中，在步骤S2中，所述沿着分节石墨体模具轴向方向上的温度梯度控制在1～2.5℃/mm。
在一个优选的实施方案中，在步骤S3中，所述牵引装置的下拉速度控制在40～60mm/min。
在一个优选的实施方案中，在步骤S3中，所述旋转磁场的磁通量密度为30mT、频率为50Hz。
在一个优选的实施方案中，上述方法制备的[碳纤维网-富硅/贫硅]层状铝基复合相变储能材料表现出出色的热循环结构稳定性和良好的储热特性：在经历1200次循环后，服役环境温度低于650℃时外层碳纤维网-富硅层可对心部贫硅区域进行有效封装，变现出优异的热循环结构稳定性；富硅层在50～500℃温度区间所对应的导热系数约为122～88W·m-1·K-1，贫硅区域的熔化潜热为△Hm 481.9～476.3J/g和凝固潜热△Hs为461.2～463.6J/g。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
本发明构建的具有[碳纤维网-富硅/贫硅]层状结构的铝基复合材料以省略铁基容器直接用于中高温热能存储的新策略，外层的碳纤维网-富硅可以作为外壳用于支撑内部的贫硅相变储能合金，从而可以省略盛装铁基容器，达到从根本上解决储能材料与盛装铁基容器的腐蚀性问题。所提供的[碳纤维网-富硅/贫硅]层状铝基复合相变储能材料具有良好的热循环结构稳定性。在热循环相变储能过程中，外层的富硅层可作为外壳来支撑内部共晶铝硅相变储能合金，从而可以省略铁基封装容器直接用于中高温相变蓄热装置。
本发明提供的[碳纤维网-富硅/贫硅]层状铝基复合相变储能材料的制备装置及方法，可实现碳纤维网耦合过共晶铝硅合金连续铸造过程中[碳纤维网-富硅/贫硅]层状结构连续电磁构筑，制备出大尺寸[碳纤维网-富硅/贫硅]层状铝基复合相变储能材料。
附图说明
图1为生硅电磁连续分离装置示意图；
图2为本发明实施例2所制备的[碳纤维网-富硅/贫硅]层状铝基复合相变储能材料连铸铸锭纵截面结构图；
图3为实施例1-4中不同合金成分所制备的[碳纤维网-富硅/贫硅]层状铝基复合材料在经历1200次热循环后铸锭的截面图；
图4为对比例2中的[富硅/贫硅]层状铝基复合材料在经历1200次热循环后铸锭的截面图。
【附图标记说明】
1：电阻熔炼炉；
2：浇注盘；
3：分节石墨体模具；
4：石墨环；
5：旋转磁场发生单元；
6：电阻保温炉；
7：气体冷却环；
8：温度采集记录装置；
9：牵引下拉装置；
10：碳纤维网。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
实施例1
如图1所示，一种[碳纤维网-富硅/贫硅]层状铝基复合相变储能材料的制备装置，是由电阻熔炼炉1、浇注盘2、旋转磁场发生单元5、温度梯度控制单元、牵引下拉装置9、分节石墨体模具3及碳纤维网10七部分构成。电阻熔炼炉1是采用镍铬镍硅电阻丝作为加热元件用于熔炼配制过共晶铝硅合金熔体(其额定功率为9kW，炉膛尺寸为40×40×50cm)。浇注盘2置于电阻熔炼炉1的炉口前和分节石墨体模具3的上方用于浇注合金熔体；分节石墨体模具3用于盛装浇注的合金熔体实现铸造成型。值得强调的是分节石墨体模具是由石墨环4组装形成。分节石墨体模具3位于旋转磁场发生单元5内腔中。旋转磁场发生单元5是由输入电流可调和频率为50Hz的三相三极对E型线圈产生。温度梯度控制单元是由保温电阻炉6、气体冷却环7及温度采集记录装置8构成，其中保温电阻炉6置于分节石墨体模具3与旋转磁场发生单元5之间，气体冷却环7设于分节石墨体模具3的下端，设于分节石墨体模具3的外围，保温电阻炉6和气体冷却环7沿着分节石墨体模具3由上至下分布以建立所需的温度梯度，并且保证保温电阻炉6、分节石墨体模具3、旋转磁场发生单元5三者中轴线重合。温度采集记录装置8用于采集合金熔体温度梯度，以指导调节保温电阻炉的温度升降。分节石墨体模具3的下端设有牵引下拉装置9，并安装在牵引下拉装置9上实现垂直向下牵引运动。保温电阻炉6和气体冷却环7与分节石墨体模具3表面存在5mm的间距。碳纤维网10和分节石墨体模具3固定在连铸机牵机9上并与之向下运动，下拉过程中一节一节地安装石墨环4实现[碳纤维网-富硅/贫硅]层状结构连续电磁构筑。石墨环4为圆环状，所以在安装过程中需保证每节石墨环4的中轴线的中心重合，防止凝固后由于中心不重合难以将铸锭从石墨体模具中取出。碳纤维以网状的形式添加到富硅层中，碳纤维网的网格尺寸为1～4mm，距离分节石墨体模具的内表面1mm。
一种[碳纤维网-富硅/贫硅]层状铝基复合相变储能材料的制备方法，采用上述实验装置设备，包括以下步骤：
过共晶铝硅合金熔炼：将工业铝在电阻熔炼炉中熔化之后，加入块儿状冶金硅，冶金硅与工业铝的质量比为3:7，在850℃下熔炼成合金熔体并保温30min，在保温期间不断地用石墨棒进行搅拌，熔炼30Kg成分均匀的过共晶Al-30％Si合金熔体(Si的质量分数是30％，Al为70％)。
初生硅电磁分离过程：将网格尺寸为2mm的碳纤维网固定到牵引下拉装置上，并调整与分节石墨体模具间的距离(距离分节石墨体模具内表面1mm)。开启旋转磁场内腔电阻保温炉对分节石墨体模具进行预热处理，待石墨体温度达到850℃温度后，随后打开Ar气阀门通过气体冷却环对分节石墨体模具进行冷却，从而在石墨体轴向方向上建立1.5℃/mm的温度梯度。进一步通过浇注盘，浇铸合金熔体，当合金熔体在石墨体模具中液面达到指定高度时(旋转磁场高度的1/2)，开启旋转磁场，旋转磁场磁通量密度为30mT、频率为50Hz；同时启动牵引装置，下拉速度控制在50mm/min。在下拉过程中，一节一节地安装预热的石墨环(预热温度850℃)，进行初生硅耦合碳纤维网连续电磁分离，制备大尺寸[碳纤维网-富硅/贫硅]层状铝基复合相变储能材料。
将上述制备的[碳纤维网-富硅/贫硅]层状铝基复合相变储能材料纵截面形貌如图2所示。从图中可见，通过自主开发的初生硅耦合碳纤维网电磁连续分离技术实现电磁连续铸造过程中[碳纤维网-富硅/贫硅]层状结构连续构筑，最终制备出大尺寸[碳纤维网-富硅/贫硅]层状铝基复合相变储能材料连铸铸锭。在外层的碳纤维网-富硅层中硅含量为90％、铝含量为10％，内层贫硅区域硅含量为12.6％、铝含量为87.4％。[碳纤维网-富硅/贫硅]层状结构尺寸比例(R-r)/r为1:3。
进一步对本实施例所制备的[碳纤维网-富硅/贫硅]层状铝基复合连铸铸锭进行结构热循环稳定性评价。热循环稳定性评价方法：将所制备的[碳纤维网-富硅/贫硅]层状铝基复合连铸铸锭在500℃和相变储能上限温度650℃之间进行反复融化/凝固循环(温度上限的选择是参考共晶铝硅合金熔点和实际工程条件进行确定)。图3(b)给出了过共晶Al-30％Si合金成分所制备的[碳纤维网-富硅/贫硅]层状铝基复合材料在经历1200次热循环后铸锭的横截面。结果表明：即使在历经1200次热循环后，[碳纤维网-富硅/贫硅]层状结构没有明显变化，意味着所制备的[碳纤维网-富硅/贫硅]层状铝基复合材料外层碳纤维网增强高硅铝硅合金层可以有效支撑内部共晶铝硅合金相变储能合金熔体，并且表现出优异的结构热循环稳定性。
进一步对本发明所制备的[碳纤维网-富硅/贫硅]层状铝基复合相变储能材料的高温力学性能进行表征。将外层碳纤维网增强高硅铝硅合金按照国家标准GBT228-2002加工成标准拉伸试样，然后将试样固定在高温拉伸机上，随后升温到500℃并保温10min，待温度场均匀后进行高温拉伸试验，结果表明碳纤维网植入过共晶Al-30％Si合金电磁连续铸造过程中所制备的碳纤维网增强富硅层在500℃下的拉伸强度为97MPa，见表2。
进一步对本发明所制备的[碳纤维网-富硅/贫硅]层状铝基复合相变储能材料的储热特性进行表征。通过激光导热仪测量外层的碳纤维网-富硅层的热导率，结果由表1所示。可见外层碳纤维网-富硅层展现出优异的导热性能(在经历1200次循环后，在50～500℃温度区间所对应的导热系数约为124～94W·m-1·K-1)。通过DSC热分析法在25至700℃的Ar气氛下以5℃/min的加热或冷却速率测量内部-共晶铝硅合金的相变特性，结果如表3所示。从表中可见内层共晶铝硅合金显示出较大的熔化△Hm和凝固潜热△Hs分别为491.2和471.2J/g，从而可以实现热能高密度储存。尽管在历经1200次循环后，△Hm和△Hs略有降低(降低至481.9和461.2J/g)，但仍保持原始的98％上，表现出优异的热循环稳定性。因此，所构建的[碳纤维网-富硅/贫硅]层状铝基复合材料可实现能量高效储存。
实施例2
方法同实施例1，不同点在于：
冶金硅与工业铝的质量比为1:3；过共晶Al-25％Si合金熔炼温度和浇注温度为800℃，分节石墨模具和石墨环预热温度为800℃，碳纤维网的网格尺寸为1mm，温度梯度控制在1℃/mm，旋转磁场磁通量密度为30mT、频率为50Hz，下拉速度控制在45mm/min。
在上述工艺条件下，制备得到的[碳纤维网-富硅/贫硅]层状铝基复合相变储能材料：在外层的碳纤维网-富硅层是由Al-95％Si高硅铝合金构成(外层中Si的质量分数为95％，Al为5％)，内层是Al-12.6％Si共晶铝硅合金(内层中Si的质量分数为12.6％，Al为87.4％)；[碳纤维网-富硅/贫硅]层状结构尺寸比例(R-r)/r为1:4。
在上述工艺条件下，制备得到的[碳纤维网-富硅/贫硅]层状铝基复合相变储能材料的储热特性：外层碳纤维网-富硅层的导热率见表1。在经历1200次循环后，碳纤维网植入过共晶Al-25％Si合金成分所制备的[碳纤维网-富硅/贫硅]层状铝基复合材料结构保持完整，见图3(a)；所制备的[碳纤维网-富硅]外层在500℃下的拉伸强度为83MPa，见表2。在50～500℃温度区间内外层碳纤维网-富硅层所对应的导热系数约为107～88W·m-1·K-1。内层共晶铝硅合金的相变特性见表3；内层共晶铝硅合金的△Hm和△Hs分别为480.9和459.2J/g。
实施例3
方法同实施例1，不同点在于：
冶金硅与工业铝的质量比为7:13；过共晶Al-35％Si合金熔炼温度和浇注温度为900℃，分节石墨模具和石墨环预热温度为900℃，碳纤维网的网格尺寸为3mm，温度梯度控制在2℃/mm，旋转磁场磁通量密度为30mT、频率为50Hz，下拉速度控制在55mm/min。
在上述工艺条件下，制备得到的[碳纤维网-富硅/贫硅]层状铝基复合相变储能材料：在外层的碳纤维网-富硅层是由Al-85％Si高硅铝合金构成，内层是Al-12.6％Si共晶铝硅合金；[碳纤维网-富硅/贫硅]层状结构尺寸比例(R-r)/r为1:2。
在上述工艺条件下，制备得到的[碳纤维网-富硅/贫硅]层状铝基复合相变储能材料的储热特性：在经历1200次循环后，过共晶Al-35％Si合金成分所制备的[碳纤维网-富硅/贫硅]层状铝基复合材料结构保持完整，见图3(c)；所制备的[碳纤维网-富硅]外层在500℃下的拉伸强度为76MPa，见表2。在50～500℃温度区间内外层碳纤维网-富硅层所对应的导热系数约为109～90W·m-1·K-1；内层共晶铝硅合金的相变特性见表3。在经历1200次循环后，内层共晶铝硅合金的△Hm和△Hs分别为480.4和462.8J/g。
实施例4
方法同实施例1，不同点在于：
冶金硅与工业铝的质量比为2:3；过共晶Al-40％Si合金熔炼温度和浇注温度为950℃，分节石墨模具和石墨环预热温度为950℃，碳纤维网的网格尺寸为4mm，温度梯度控制在2.5℃/mm，旋转磁场磁通量密度为30mT、频率为50Hz，下拉速度控制在60mm/min。
在上述工艺条件下，制备得到的[碳纤维网-富硅/贫硅]层状铝基复合相变储能材料：在外层的碳纤维网-富硅层是由Al-80％Si高硅铝合金构成，内层是Al-12.6％Si共晶铝硅合金；[碳纤维网-富硅/贫硅]层状结构尺寸比例(R-r)/r为1:1。
在上述工艺条件下，制备得到的[碳纤维网-富硅/贫硅]层状铝基复合相变储能材料的储热特性：在经历1200次循环后，过共晶Al-40％Si合金成分所制备的[碳纤维网-富硅/贫硅]层状铝基复合材料结构保持完整，见图3(d)；所制备的[碳纤维网-富硅]外层在500℃下的拉伸强度为70MPa，见表2。在50～500℃温度区间内外层碳纤维网-富硅层所对应的导热系数约为122～92W·m-1·K-1。内层共晶铝硅合金的相变特性见表3；内层共晶铝硅合金的△Hm和△Hs分别为473.98和460.22J/g。
对比例1
铁基容器盛装的传统共晶铝硅合金热循环实验：将冶金硅与工业铝按照质量比配制传统共晶铝硅合金，即Al-12.6％Si合金。用3004不锈钢铁基容器盛装传统共晶铝硅合金熔体，在500℃和相变储能上限温度650℃之间进行反复融化/凝固循实验。通过激光导热仪测量3004不锈钢铁基容器的热导率，结果由表1所示。结果表明：在50℃下，不锈钢的导热率为20W·m-1·K-1。通过DSC热分析法在25至700℃的Ar气氛下以5℃/min的加热或冷却速率测量传统共晶铝硅合金的相变特性(见表3)。结果表明：在经历1200次热循环之后，传统共晶铝硅合金的△Hm和△Hs分别为480.1和460.5J/g。
对比例2
方法同实施例1，不同点在于：
过共晶Al-30％Si合金电磁连续铸造过程中，不添加碳纤维网，合金熔炼温度和浇注温度为950℃，分节石墨模具和石墨环预热温度为950℃，温度梯度控制在1.5℃/mm，旋转磁场的磁通量密度为35mT、频率为50Hz，下拉速度控制在50mm/min，制备出无碳纤维网增强的[富硅/贫硅]层状铝基复合相变储能材料。
在上述工艺条件下，制备得到的[富硅/贫硅]层状铝基复合相变储能材料：在外层的富硅层是由Al-65％Si高硅铝合金构成，内层是Al-14.6％Si近共晶铝硅合金；[富硅/贫硅]层状结构尺寸比例(R-r)/r为1:3。
在上述工艺条件下，制备得到的[富硅/贫硅]层状铝基复合相变储能材料的储热特性：富硅层的导热率见表1。在经历1200次循环后，在不添加碳纤维网过共晶Al-30％Si合金成分所制备的[富硅/贫硅]层状铝基复合材料结构保持完整，见图4；所制备的[富硅/贫硅]外层在500℃下的拉伸强度为50MPa，见表2。在50～500℃温度区间内外层碳纤维网-富硅层所对应的导热系数约为116～88W·m-1·K-1。内层共晶铝硅合金的相变特性见表3；内层共晶铝硅合金的△Hm和△Hs分别为481.7和461.5J/g。
表1不同合金成分所制备的外层碳纤维网增强高硅铝硅合金的热导率
Figure BDA0002119293220000121
表2为不同合金成分所制备材料的高温拉伸性能/MPa
Figure BDA0002119293220000122
表3不同合金成分所制备材料的融化相变潜热△Hm和凝固相变潜热△Hs(J/g)
Figure BDA0002119293220000123
将实施例1～4与对比例1、2进行对比：
①通过实施例1～4与比较例1比较不难发现：实施例1～4所制备的[碳纤维网-富硅/贫硅]层状铝基相变储能材料相比于比较例1下的铁基封装共晶合金相变储能材料具有显著的优势。外层碳纤维增强富硅层作为外壳比铁基容器具有更高的导热率(见表1，在50℃下碳纤维增强富硅层的导热率为120W·m-1·K-1，显著高于不锈钢导热率20W·m-1·K-1)，这将显著地提高了所盛装的共晶铝硅相变储能材料充放热速率。在经历1200次热循环后，心部贫硅铝硅合金与传统共晶铝硅合金具有相似的相变潜热，这意味着心部贫硅铝硅合金仍保持着传统共晶铝硅合金优异的相变储能能力(见表3)。
②通过实施例1～4与比较例1比较不难发现：实施例1～4所制备的[碳纤维网-富硅/贫硅]层状铝基相变储能材料相比于比较例2所制备的[富硅/贫硅]层状铝基相变储能材料力学性能上具有显著的优势。在500℃高温下，碳纤维增强富硅层比富硅层具有更优异地导热性和高温拉伸性能(见表2，在500℃高温下碳纤维增强富硅层的高温拉伸强度为97MPa，显著高于无碳纤维网增强的富硅层50MPa)，这意味着[碳纤维网-富硅/贫硅]层状铝基相变储能材料在实现高效地相变储能的同时，还可以承受更强的热冲击，从而提高了实际推广应用的竞争力。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明做其它形式的限制，任何本领域技术人员可以利用上述公开的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种碳纤维网-富硅/贫硅层状铝基复合相变储能材料，其特征在于，其包括外层以碳纤维网增强高硅铝合金作为外壳和内层以共晶铝硅合金作为相变储能材料，其中，外层的碳纤维网-富硅层与内层贫硅区域的结构尺寸比例(R-r)/r为1:1～1:4，碳纤维网格尺寸为1～4mm，所述外层碳纤维网增强高硅铝合金中硅的质量分数为80％～90％，铝的质量分数为20％～10％；所述内层共晶铝硅合金中硅的质量分数为12.6％，铝的质量分数为87.4％，其中，外层的厚度表示为R-r，内层的半径为r。
2.一种碳纤维网-富硅/贫硅层状铝基复合相变储能材料的制备装置，其特征在于，其包括电阻熔炼炉、浇注盘、旋转磁场发生单元、温度梯度控制单元、牵引下拉装置、分节石墨体模具和碳纤维网；所述电阻熔炼炉和浇注盘设于所述旋转磁场发生单元的上方，所述温度梯度控制单元设于旋转磁场发生单元中心部区域，所述分节石墨体模具组装并置于温度梯度控制单元的内腔中，所述分节石墨体模具的下端设有牵引下拉装置，并安装在牵引下拉装置上实现垂直向下牵引运动，碳纤维网设于分节石墨体模具内并固定在牵引下拉装置上。
3.如权利要求2所述的制备装置，其特征在于，所述温度梯度控制单元包括保温电阻炉、气体冷却环和温度采集记录装置，所述保温电阻炉设于分节石墨体模具与旋转磁场发生单元之间，所述气体冷却环设于分节石墨体模具的下端，设于分节石墨体模具的外围；并且保证保温电阻炉、分节石墨体模具、旋转磁场发生单元三者中轴线重合。
4.如权利要求2所述的制备装置，其特征在于，所述分节石墨体模具是由石墨环在下拉过程中一节一节装配构成。
5.如权利要求2所述的制备装置，其特征在于，所述碳纤维网的网格尺寸为1～4mm，距离分节石墨体模具的内表面1mm。
6.一种碳纤维网-富硅/贫硅层状铝基复合相变储能材料的制备方法，其包括如下步骤：
S1.将工业铝在电阻熔炼炉中熔化之后，加入块儿状冶金硅，熔炼成合金熔体并保温30min，在保温期间不断地用石墨棒进行搅拌，从而获得成分均匀的过共晶铝硅合金熔体；
S2.将碳纤维网固定到牵引下拉装置上，并调整与分节石墨体模具间的距离；开启旋转磁场内腔电阻保温炉对分节石墨体模具进行预热处理，待石墨体模具温度达到浇注温度后，随后打开气体冷却装置气阀对分节石墨体模具进行冷却，在分节石墨体模具轴向方向上建立所需的温度梯度；
S3.通过浇注盘向石墨体模具浇注步骤S1获得的合金熔体，当合金熔体在石墨体中液面达到旋转磁场高度的1/2时，开启旋转磁场，同时启动牵引装置，进行初生硅电磁分离；在下拉过程中，一节一节地安装石墨环，实现过共晶铝硅合金电磁连续铸造过程中碳纤维网-富硅/贫硅层状结构连续构筑，最终制备出大尺寸碳纤维网-富硅/贫硅层状铝基复合相变储能材料连铸铸锭。
7.如权利要6所述的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述冶金硅与工业铝的按照质量比25～40:75～60进行配制，在步骤S2中，所述浇注温度为800℃～900℃。
8.如权利要6所述的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述碳纤维网的网格尺寸为1～4mm；碳纤维网与分节石墨体模具内表面的距离为0.5～2mm；在分节石墨体模具轴向方向上的温度梯度控制在1～2.5℃/mm。
9.如权利要6所述的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，所述牵引装置的下拉速度控制在40～60mm/min。
10.如权利要6所述的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，所述旋转磁场的磁通量密度为30mT、频率为50Hz。
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