本發(fā)明涉及一種具有高熱導率的低熔點相變儲能合金、制備工藝及應用。屬于容器相關的相變儲能材料領域，尤其是一種兼具高儲能密度和高熱傳導率的相變合金材料。
背景技術：
新能源開發(fā)與節(jié)能環(huán)保是當今社會發(fā)展的重要議題，開發(fā)和利用環(huán)保的新能源技術是科學研究的重要關注方向。相變儲能材料是環(huán)保新能源技術的研究熱點之一，在一定的條件下，可以解決能量供求在時間和空間上不匹配矛盾，從而提高能源利用率。從原理上講，相變儲能材料可以在其物相變化過程中，從環(huán)境中吸收熱(冷)量或向環(huán)境中放出熱量，從而達到能量儲存和釋放及調節(jié)能量需求和供給失配的目的。
目前市場上主要使用的相變儲能材料包括無機水合鹽相變材料和有機儲能材料。通過不同的配方調節(jié)其相變溫度，可以應對不同的吸熱/供熱需求。但是，這兩類傳統(tǒng)的相變儲能材料都有兩個明顯的缺點：1)熱傳導率過低。無機水合鹽的熱導率一般都低于1W/mK，而有機相變材料的熱導率更是不高于0.3W/mK。過低的熱導率將會顯著的影響該相變儲能材料的使用效率，對結構設計提出了更高的要求；2)單位體積能量密度過低。由于無機水合鹽和有機相變材料的密度都比較低，單位體積的分子數量不高。單位體積的相變潛熱值一般不超過200J/cm3，對于某些對于體積要求較高的場合，這些傳統(tǒng)相變儲能材料的使用受到較多的限制。
利用低熔點合金作為相變儲能材料是最近的一個重要的研究方向，尤其是在IT制冷領域和一些尖端的工程器件方面。使用低熔點合金作為相變儲能材料的優(yōu)勢在于其相對極高的高熱導率和高單位體積相變潛熱。下表是兩種傳統(tǒng)相變材料和低熔點金屬作為儲能材料的性能參數對比。
在民用產品領域，相變儲能材料在水杯方面的設計和應用已經展開，市場上已經有多款該類產品的推廣，比如55度杯。依米康等公司提出了使用鎵基液態(tài)金屬作為相變儲能材料。但是他們并沒有提出具體的配方，而且鎵基液態(tài)合金本身價格較高，且在也液態(tài)下對幾乎所有的金屬都存在腐蝕作用，帶來一定的安全隱患。開發(fā)符合相變儲能水杯需求的具有合適相變溫度、高儲能密度和熱導率，且價格低廉、安全環(huán)保的低熔點相變儲能合金顯得十分必要。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明要解決的技術問題是：針對上述存在的問題，提供一種具有高熱導率的低熔點相變儲能合金、制備工藝及應用。
本發(fā)明所采用的技術方案是：具有高熱導率的低熔點相變儲能合金，它由以下重量百分比的組份組成：
錫Sn 13.5％～15.0％；
銦In 7.5％～9.5％；
鉛Pb 23.7％～25.8％；
鎘Cd 7.8％～9.5％；
鉍Bi 40.0％～45.0％；
銅Cu 0.2％～0.8％。
所述銅為粉體狀態(tài)，其顆粒直徑為20～2000納米，優(yōu)選直徑為20～500納米。
所述合金的熔化溫度在53到75攝氏度之間，單位體積儲能密度達到300-350J/cm3，熱導率達到35-50W/mK。
具有高熱導率的低熔點相變儲能合金的制備工藝：按前述配比稱取各組分，將稱取所得錫、銦、鉛、鎘、鉍放入真空感應熔煉爐，在隔絕空氣條件下，加熱使各金屬熔化均勻成整體；熔煉完成后，降溫至室溫，然后從熔煉爐中取出熔煉獲得的合金，并對其進行加熱至80～100攝氏度，使其再次熔化；向再次熔化后的合金加入稱取所得銅粉，攪拌均勻，直至合金冷卻凝固。
所述隔絕空氣的方式具體為：對真空感應熔煉爐進行抽真空處理使爐內壓強低于5*10-3Pa，然后向真空感應熔煉爐內加入惰性氣體作為保護氣體，加壓至0.5-0.8個大氣壓。
從熔煉爐中取出熔煉獲得的合金，并對其進行加熱至80～100攝氏度，其中加熱方式為水浴加熱或電阻絲加熱。
一種采用前述制備工藝制得的具有高熱導率的低熔點相變儲能合金。
所述合金的熔化溫度在53到75攝氏度之間，單位體積儲能密度達到300-350J/cm3，熱導率達到35-50W/mK。
一種前述具有高熱導率的低熔點相變儲能合金的應用，其特征在于：所述具有高熱導率的低熔點相變儲能合金用作相變儲能杯的相變材料。
本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明獲得合金材料，其熔化溫度在53到75度之間，符合當前很多民用快冷或保溫容器的儲能和加熱需求；該相變合金的凝固和熔化相變過程中的潛熱達到50J/g以上，單位體積儲能密度達到300J/cm3以上，可以隨著環(huán)境溫度變化吸收或釋放能量；本發(fā)明合金的液相熱導率達到35W/mK以上，遠高于傳統(tǒng)的相變材料。本發(fā)明的合金可作為相變儲能杯等產品的相變材料推廣使用。銅粉作為低熔點相變儲能合金的形核劑，促進合金的凝固，使得凝固與熔化相變熱滯在較小的范圍，有利于相變溫度的精確控制。
附圖說明
圖1是四組實施例的熱分析數據圖。
具體實施方式
本發(fā)明通過分析Sn-In的三元合金相圖，并結合熱力學設計加入Bi元素進一步調整合金的相變溫度，加入Cd元素則可以改善合金的熱導率，加入Pb元素用于調節(jié)合金的密度，使其與銅的密度接近。最后加入固態(tài)銅粉進一步提高合金的熱導率，銅的熱導率可以達到397W/mK，是最有性價比的導熱材料，關鍵在于使銅粉均勻分布在合金基體，即使在液態(tài)下，銅粉能夠保持懸浮狀態(tài)均勻分布。銅粉作為低熔點合金的形核劑，促進合金的凝固，使得凝固與熔化相變熱滯在較小的范圍，有利于相變溫度的精確控制。
實施例1
本實施例具有高熱導率的低熔點相變儲能合金的組分及配比(重量百分比)如下：
Sn，14.7％；
In，8.2％；
Pb，24.3％；
Cd，8.0％；
Bi，44.5％；
納米銅粉體，顆粒平均尺寸約為80納米，占整體重量比的0.3％。
首先將按照上述配比配好的Sn、In、Pb、Cd、Bi放入真空感應熔煉爐的熔煉坩堝，關閉爐門，對真空感應熔煉爐進行抽真空處理，使爐內壓強低于5*10-3Pa。然后向真空感應熔煉爐內加入氮氣(或者氬氣)作為保護氣體，加壓至0.5個大氣壓，開始通電熔煉。熔煉溫度達到500度時，合金即可完全融化，立刻關閉加熱電源。熔煉完畢后，降溫至室溫狀態(tài)，然后從爐中取出熔煉獲得的合金，該Sn-In-Pb-Cd-Bi五元合金的熔化溫度為56度，室溫下呈固態(tài)。隨后將五元合金通過水浴加熱至85度，使其再次熔化，加入預備好的銅粉(按照上述配比配好)，并用玻璃棒攪拌均勻，同時水浴自然冷卻，直至合金冷卻凝固，即可得到具有高熱導率的低熔點相變儲能合金。
所述具有高熱導率的低熔點相變儲能合金用作相變儲能杯的相變材料。
實施例2
本實施例具有高熱導率的低熔點相變儲能合金的組分及配比(重量百分比)如下：
Sn，13.7％；
In，8.9％；
Pb，23.9％；
Cd，8.8％；
Bi，44.2％；
納米銅粉體，顆粒平均尺寸約為80納米，占整體重量比的0.5％。
首先將按照上述配比配好的Sn、In、Pb、Cd、Bi放入真空感應熔煉爐的熔煉坩堝，關閉爐門，對真空感應熔煉爐進行抽真空處理，使爐內壓強低于3.5*10-3Pa。然后向真空感應熔煉爐內加入氮氣(或者氬氣)作為保護氣體，加壓至0.6個大氣壓，開始通電熔煉。熔煉溫度達到530度時，合金即可完全融化，立刻關閉加熱電源。熔煉完畢后，降溫至室溫狀態(tài)，然后從爐中取出熔煉獲得的合金，該Sn-In-Pb-Cd-Bi五元合金的熔化溫度為58度，室溫下呈固態(tài)。隨后將五元合金通過水浴加熱至80度，使其再次熔化，加入預備好的銅粉(按照上述配比配好)，并用玻璃棒攪拌均勻，同時水浴自然冷卻，直至合金冷卻凝固，即可得到具有高熱導率的低熔點相變儲能合金。
所述具有高熱導率的低熔點相變儲能合金用作相變儲能杯的相變材料。
實施例3
本實施例具有高熱導率的低熔點相變儲能合金的組分及配比(重量百分比)如下：
Sn，14.8％；
In，9.3％；
Pb，24.1％；
Cd，9.3％；
Bi，41.9％；
納米銅粉體，顆粒平均尺寸約為120納米，占整體重量比的0.6％。
首先將按照上述配比配好的Sn、In、Pb、Cd、Bi放入真空感應熔煉爐的熔煉坩堝，關閉爐門，對真空感應熔煉爐進行抽真空處理，使爐內壓強低于3.0*10-3Pa。然后向真空感應熔煉爐內加入氮氣(或者氬氣)作為保護氣體，加壓至0.5個大氣壓，開始通電熔煉。熔煉溫度達到520度時，合金即可完全融化，立刻關閉加熱電源。熔煉完畢后，降溫至室溫狀態(tài)，然后從爐中取出熔煉獲得的合金，該Sn-In-Pb-Cd-Bi五元合金的熔化溫度為62.5度，室溫下呈固態(tài)。隨后將五元合金通過水浴加熱至85度，使其再次熔化，加入預備好的銅粉(按照上述配比配好)，并用玻璃棒攪拌均勻，同時水浴自然冷卻，直至合金冷卻凝固，即可得到具有高熱導率的低熔點相變儲能合金。
所述具有高熱導率的低熔點相變儲能合金用作相變儲能杯的相變材料。
實施例4
本實施例具有高熱導率的低熔點相變儲能合金的組分及配比(重量百分比)如下：
Sn，13.6％；
In，7.8％；
Pb，25.5％；
Cd，8.5％；
Bi，44.2％；
納米銅粉體，顆粒平均尺寸約為80納米，占整體重量比的0.4％。
首先將按照上述配比配好的Sn、In、Pb、Cd、Bi放入真空感應熔煉爐的熔煉坩堝，關閉爐門，對真空感應熔煉爐進行抽真空處理，使爐內壓強低于3.5*10-3Pa。然后向真空感應熔煉爐內加入氮氣(或者氬氣)作為保護氣體，加壓至0.5個大氣壓，開始通電熔煉。熔煉溫度達到490度時，合金即可完全融化，立刻關閉加熱電源。熔煉完畢后，降溫至室溫狀態(tài)，然后從爐中取出熔煉獲得的合金，該Sn-In-Pb-Cd-Bi五元合金的熔化溫度為72.2度，室溫下呈固態(tài)。隨后將五元合金通過水浴加熱至90度，使其再次熔化，加入預備好的銅粉(按照上述配比配好)，并用玻璃棒攪拌均勻，同時水浴自然冷卻，直至合金冷卻凝固，即可得到具有高熱導率的低熔點相變儲能合金。
所述具有高熱導率的低熔點相變儲能合金用作相變儲能杯的相變材料。
對上述各實施例獲得的合金各項性能參數進行測試，測得的數據見下表：
圖1中自上而下依次為實施例4、3、2、1的熱分析數據。
本發(fā)明合金的特點在于其熔化溫度在53到75度之間；凝固和熔化相變過程中的潛熱大，均達到50J/g以上，單位體積儲能密度達到300J/cm3，隨著環(huán)境溫度變化吸收或釋放能量；且熱導率達到35W/mK以上；符合當前很多民用快冷或保溫容器的儲能和加熱需求，可作為相變儲能杯等產品的相變材料推廣使用。