[发明专利]泡沫金属基高温相变蓄热复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及蓄热材料技术领域。 

背景技术

高温相变材料的应用主要集中在空间站的太阳能利用、工业余热回收和电力削峰填谷等领域。在空间站太阳能热动力发电系统中，可以利用抛物形的聚能器截取太阳能，将其聚集到吸热/蓄热器的圆柱形腔内，换成热能，其中一部分热能传递给循环工质以驱动热机发电，另一部分热量则被封装在多个小容器内的相变储能材料中通过熔化而吸收储存起来。在轨道阴影期，相变储能材料在相变点附近凝固释热，充当热机热源来加热循环工质，使得空间站处于阴影期时仍能连续工作发电。相变材料蓄热容器是空间站太阳能热动力发电系统吸热-储热器的主要部件。在太阳能热发电厂中，采用水槽形聚光板，将太阳光聚集于太阳能聚集器中，换成热能，一部分用以加热蒸汽发电，另一部分储存起来，待太阳光不足时使用，以保证连续发电。另外，在工业生产过程中会产生大量的热，这些热量通常没有得到利用就被浪费掉，这时就需要一种材料把这些高温余热回收以备日后使用。 

对于空间太阳能热动力发电系统的吸热器来说，由于受热机循环温度(700℃以上)的限制，要求采用高温潜热蓄热，在对大量相变材料进行了研究后，氟盐成为主要的选择对象，其主要优点是相变潜热高，而且通过不同熔点的氟盐的混合，可以得到具有不同相变温度的蓄热介质，从而在很宽广的温度范围内满足空间太阳能热动力发电循环的要求。氟盐和金属容器材料的相容性也比较好。美国自由号空间站的太阳能热动力发电系统选用了LiF-CaF₂共晶物作为蓄热介质。 

氟盐能够满足其热力性能和相容性的需求，但它的一个明显缺点是其热导率较低以及凝固时体积收缩很大(LiF高达23％)。这两个缺点导致阴影期内相变材料凝固收缩时在容器内形成空穴，造成日照期内出现“热松脱”和“热斑”，这两种现象均会造成容器的热疲劳损坏，会较大的影响蓄热材料的传热性能，从而会影响到整个系统的热性能和可靠性。此外，盐类相变材料在高温下有较强的腐蚀性，容器材料必须采用耐腐蚀的高温合金，目前大多着眼于钴基、镍基、铌基等高温合金。

发明内容

本发明的目的是提供一种泡沫金属基高温相变蓄热复合材料及其制备方法，该复合材料具有蓄热放热快、蓄热密度高、导热性能良好、体积收缩较小的优点；用途广，可适用于空间站太阳能热动力发电系统、太阳能发电和高温余热回收等多种领域，特别适用于空间太阳能热动力发电系统的吸热器；其制备方法简便、复合率高，易于保证产品质量。 

本发明之一的主要技术方案是：一种泡沫金属基高温相变蓄热复合材料，其特征在于具有泡沫金属骨架材料，泡沫金属骨架材料上附着有≥600℃时固-液相变蓄热材料，高温相变蓄热材料占总重量的百分比为60％～95％。 

所述的泡沫金属骨架材料为泡沫金属Ni或泡沫金属Cu骨架材料为佳。 

所述的≥600℃时固-液相变蓄热材料较佳为氟盐LiF；或LiF和CaF₂的混合物：混合物中LiF和CaF₂的质量组成比为2～1.1∶1；≥600℃时固-液相变蓄热材料占总重量的80～95％。 

本发明之二的主要技术方案是：上述的各种泡沫金属基高温相变蓄热复合材料的制备方法，其特征在于具有如下步骤： 

a、准备好泡沫金属骨架材料并放入到成型容器中。 

b、按要求的质量组成准备≥600℃时固-液相变蓄热材料，拌匀，放入真空加热炉中加热除气除水使其呈熔融状态，加热炉熔化温度为在高≥600℃时固-液相变蓄热材料的相变温度以上50-100℃；同时将盛放泡沫金属骨架材料的成型容器一同放入炉内加热。 

c、将呈熔融状态的≥600℃时固-液相变蓄热材料按要求的质量组成在氩气保护气雾下，迅速准确地灌入成型容器内，在真空加热炉中加热复合，复合过程温度控制在比该≥600℃时固-液相变蓄热材料的熔点高80～200℃。 

d、复合结束后，关掉电炉电源将盛放泡沫金属基高温相变蓄热复合材料的成型容器在炉内缓慢冷却，然后将盛放泡沫金属基高温相变蓄热复合材料容器的顶盖封装好即得成品。 

所述的成型容器的材质为钴基、镍基或铌基高温合金：如Inconel617，Haynes188，Haynes230，316ss等。