摘要
可靠的高温相变材料对于太阳能热利用、工业余热回收等领域的储热技术至关重要。金属相变材料因其优异的储热密度和导热性能成为了高温相变材料的首选。然而，在相变过程中，金属相变材料容易发生泄漏和腐蚀，因此需要在使用前进行定型封装，制成具有核壳结构的相变胶囊。但是，如何开发具有良好蓄热能力和长时间循环稳定性的高温金属相变胶囊仍然面临困难，因为金属相变材料在高温相变期间会发生体积膨胀，导致外壳破裂。因此，本文基于高温铜基金属相变材料，研究了铜基金属相变大胶囊的制备，表征了胶囊的材料特性和热物理特性，评估了具有空腔的胶囊的热循环稳定性，并探讨了核壳尺寸和空腔体积对胶囊储热性能的影响。论文主要工作如下。 首先，以Cu粉和γ-Al2O3粉作为原料，采用粉末成球压制法将Cu粉球化为毫、厘米级的球体，并在其表面包覆一层Al2O3外壳胚体，经低温预烧和高温煅烧处理后，成功制备出核壳之间含有空腔的Cu@Al2O3相变大胶囊。为优化Cu@Al2O3胶囊的储热密度，增大了核芯尺寸，减小了壳层厚度，并对核芯胚体采取了等静压压制处理，最终成功制备了核芯更大、外壳更薄、空腔更适宜的Cu@MgO-SiO2/Al2O3相变大胶囊。热分析表明，金属核芯的熔点约为1062℃，潜热约为210J/g。熔化-凝固热循环实验表明，Cu金属胶囊具有良好的循环稳定性。此外，Cu金属胶囊具有较高的储热密度，尺寸为9@1.5-100MPa的Cu金属胶囊在1000-1100℃的温度区间内，单位质量和单位体积的储热密度分别为222J/g和842MJ/m3。 其次，为了调控Cu金属相变大胶囊适用的工作温度，采用原位合金化法制备了Cu-Si合金相变材料，同时对其进行定型封装。首先将Cu粉和Si粉混合得到均匀的Cu/Si粉，随后将其球化为毫、厘米级的Cu/Si粉球，并在其表面包覆Al2O3壳，形成胶囊胚体。经两步烧结热处理后，成功制备出适用于800℃级别的Cu-Si@Al2O3相变大胶囊。通过调整核壳尺寸和空腔体积，对Cu-Si胶囊的储热能力进行了优化。熔化-凝固循环实验表明，Cu-Si胶囊具有良好的循环稳定性，可长期重复使用。此外，Cu-Si胶囊还表现出较为优异的储热性能，尺寸为9@1.5-150MPa的胶囊在750-850℃的温度区间内具有198J/g和816MJ/m3的高储热密度。 最后，除了调配Cu-Si合金可以调控胶囊的相变温度外，通过调配Cu-Ge合金同样能够实现相变温度的调控。以Cu粉和Ge粉作为核芯原料，采用粉末成球压制法和两步烧结热处理成功制备出适用于600℃级别的Cu-Ge@Al2O3相变大胶囊。通过调整核壳尺寸和减小空腔，优化了胶囊的储热能力。热循环实验结果表明，Cu-Ge胶囊的热循环稳定性良好。此外，Cu-Ge胶囊具有较高的储热能力，其中尺寸为9@1.5-100MPa的胶囊在600-700℃的储热密度达到了211J/g和719MJ/m3。 总之，本文采用粉末成球压制法和两步烧结热处理，成功制备了一系列适用于600-1100℃的铜基金属相变大胶囊，所制备的胶囊具有良好的热循环稳定性和较高的储热密度，这对于高温领域相变储热技术的发展具有重要的促进作用。
NETL