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1、文章编号:1009-2269(2010)02-0052-05高温相变储热铝合金材料的研究现状及展望*王克振,郭长华(兰州理工大学 可再生能源研究院,甘肃 兰州?730000)摘要:金属相变储热材料具有储热密度大、抗高温氧化性强、热稳定好、导热系数大、相变时过冷度小、相偏析小及性价比较好等优点,在高温相变储热过程中有着广泛应用,其中铝合金高温相变储热材料的综合性能最好.综述了国内外铝合金高温相变储热材料的研究及趋势,并对今后的研究方向进行了展望.关?键?词:高温;相变储热材料;铝合金;展望中图分类号:TB 332文献标志码:A?因使用化石能源造成的温室气体排放和环境污染对人类的生存和发展构成了严
2、重威胁,并且化石能源资源有限,终将可能枯竭,因此开发清洁的可再生能源是全球各国面临的重大挑战.在水能、太阳能、风能、生物质能等可再生能源中,太阳能因其储量的无限性、存在的普遍性、利用的清洁性和开发的经济性 1成为最重要的可再生能源.太阳能发电模式主要有光伏和光热两种模式,太阳能热发电技术因其供电连续稳定、成本低等优点,将成为未来太阳能发电的主要方式之一.太阳能热发电技术客观上要求发展高效率、低成本的高温潜热能存储技术 2.在太阳能热发电技术中,储热技术可在太阳能流高峰时吸热、低谷时放热,能解决太阳能流的不连续性,使塔式、槽式或蝶式发电系统连续稳定的发电,成为太阳能热发电技术的关键.相变储热材料
3、具有相变潜热大、储热密度高、吸放热过程近似等温等优点,是目前最有效的储热方式之一 3.在120 1 000?温度区间内基于无机盐和金属合金的相变储热材料有几百种 4,其中铝合金相变储热材料具有储热密度大、抗高温氧化性强、热稳定性好、导热系数大、过冷度小、相偏析小及性价比高等优点 5,在太阳能高温热发电技术中有着较好的应用前景.热能存储研究,尤其是相变材料研究成为近 20 年研究的热点 6,本文概述了铝合金相变储热材料国内外研究现状及发展趋势.1?不同成分铝合金的相变温度和相变潜热研究?在铝合金相变储热材料中,Al-Si 合金的综合储热性能优越,且价格便宜,成为很多研究人员的 研 究 对 象.B
4、irchenall 7-8、Farkas 9、Gasa-naliev 10等人对含有 Al、Cu、Mg、Si、Zn 等元素的二元和多元合金的相变温度和相变潜热进行了研究,张仁元 11、邹向 12、刘靖 13、王馨 14、程晓敏 15、孙建强 16等人分别测试了二元铝合金和三元铝合金相变储热材料的相变温度与相变潜热值(见表 1),研究表明相变潜热值与相变温度正相关,高相变潜热值的铝合金通常含有高熔点的元素.张仁元等人 11进一步研究了 Al-Si 合金的结晶组织及熔化过程,认为 Al-Si 合金的固态组织由固溶硅的?-Al 固溶体和初晶硅相或共晶硅相组成.当温度升高时,合金的熔化是从?-Al 晶
5、胞中一些较弱的但维持晶胞稳定的结合键开始的.*收稿日期:2009-12-31作者简介:王克振(1973-),男,甘肃永靖人,讲师,博士生.因此,Al 含量不一样,合金的相变潜热和相变温度大小也不同.表 1?铝合金的相变温度与相变潜热值合金含量相变温度?相变潜热(KJ/Kg)来源Al-7Si577.4305.5程晓敏 15Al-11Si572.8507张仁元 11Al-12Si561.3470张仁元 11Al-12Si576562.2刘靖 13Al-13Si575505邹向 12Al-13Si579515Birchenall7-9Al-20Si585459.9刘靖 13Al-20Si570430
6、张仁元 11Al-34.65Mg497285Gasanaliev 10Al-37.5Mg451310Birchenall7-9Al-17.5Cu548351Birchenall7-9Al-33.08Cu548372Gasanaliev 10Al-33Cu499.4202.7程晓敏 15Al-35Mg-6Zn443310Birchenall7-9Al-34Mg-6Zn454314.4孙建强 16Al-28Mg-14Zn447303.2孙建强 16Al-16.2Mg-17Cu506360Birchenall7-9Al-5.1Mg-12.6Cu 610545Birchenall7-9Al-6.0Mg
7、-33.2Cu 506365Gasanaliev 10Al-26.5Cu-5.0Si525364Gasanaliev 10Al-30Cu-5Si571422Birchenall7-9Al-49.1Cu-4.6Si557498Gasanaliev 10Al-4Cu-7Si566.5245.1程晓敏 15?从表 1 可看出,在二元铝合金中,Al-Si 合金的相变潜热较 Al-Cu 合金、Al-Mg 合金大很多.而Al-Si 合金的潜热值随 Si 含量的增加先增加后减少,Si 含量在 12%左右时达到最大值,但相变温度基本稳定在共晶温度 577?上下.在三元铝合金中,Al-Mg-Zn 合金的相变潜热
8、在 303 314kJ/kg范围内变化,相变温度维持在443 454?.Al-Mg-Cu 合金和 Al-Cu-Si 合金则因组份的差异相变温度和相变潜热差异很大,需要更深入细致的研究才能找出其规律性.从已取得的研究结果看,Al-Si合金较其他二元或三元合金相变潜热大、相变温度高,是较好的储热材料.2?铝合金的高温抗氧化性研究?张仁元 11和邹向 12研究了 Al-Si 二元合金的高温抗氧化性及氧化过程.研究表明 Al-Si 合金的抗高温氧化性较好,不同温度时间下的氧化率均不超过 0.01%(见表2),并逐渐稳定.铝合金的氧化过程相当复杂,与氧亲合力大的元素优先被氧化,所生成的氧化膜能有效阻碍氧
9、化的进行.在高温时,Al-Si 合金中铝与氧的亲和力大于硅,铝先被氧化,生成高温稳定的氧化铝,而且只有致密的氧化膜才有保护作用.由于铝氧化所形成的?-Al2O3氧化膜的分子体积与其自身的原子体积之比大于 1,有效地阻止熔融合金与氧的接触.当膜的厚度达到 200 nm,氧化膜增长停止,氧化不再进行.而硅为非表面活性元素,不影响氧化过程,且能促使体积比大于 1.因此,Al-Si 合金的氧化膜是由单纯的?-Al2O3组成.表 2?Al-Si 合金不同温度时间下的氧化率温度(?)保温时间(h)氧化率(万分之)Al-13%Si/邹向126207408509402.51.51.00.750.240.340
10、.900.81Al-13%Si/张仁元 116207408209400.751.51.00.750.20.30.90.83?铝合金的腐蚀性研究?铝合金腐蚀性主要是指铝液对金属容器的浸蚀.有研究表明 17-22,液态铝及其合金对金属容器的腐蚀有两种形式:一是在固?液界面发生化学反应,并在液态金属的表面形成金属间化合物型锈蚀物;二是液态铝或合金浸润固态金属表面,然后溶于固态金属并与其内的活性元素组成相应的内腐蚀相.盛装液态铝合金的容器材料一般为铁基合金.铁基合金在液态铝环境中,首先发生的是浸润现象,然后发生铝原子的化学吸附并产生化学反应.铁基合金容器中铁和碳的溶解度随温度的升高而增加,在高温时,铁
11、和碳的溶解会促进腐蚀,容器中碳含量越高,浸蚀越严重.如果容器材料中富含 Cr、Ni 等元素,会形成 Ni3(Al,Ti)、Cr3(Al,T i)等化合物相,这些合金相加上 Cr、Ni 等元素,特别是 Ni 元素在 Al?Fe 界面的聚集,阻碍Al 原子向容器内扩散,使合金扩散层的生长受到抑制,进而使腐蚀程度减小 21-23.邹向等人 12进行了 Al-13%Si 合金与普通?53?第 2 期?王克振等:高温相变储热铝合金材料的研究现状及展望?碳钢容器 605?,1Cr18Ni9Ti 不锈钢和 0Cr18Ni9不锈钢容器 670?时的相容性实验.实验结果表明,温度对浸蚀的影响很大,浸蚀深度随温度
12、的上升显著增加,当温度高于铁铝共晶温度 655?时,浸蚀变得非常严重.容器材料含碳量越高,浸蚀越严重.由于普通碳钢含碳量最高,0Cr18Ni9 不锈钢含碳量最低,所以,普通碳钢的浸蚀最严重,1Cr18Ni9T i 不锈钢次之,0Cr18Ni9 不锈钢最轻.刘靖等 13选择了马氏体 S304、奥氏体不锈钢S316、耐热钢 42CrMo 与 Al-12%Si 合金进行高温腐蚀实验,分别在 750?、700?、650?时与不同材料容器的腐蚀对比实验.S304 腐蚀最严重,6h 浸泡就被熔断;S316 在 650?时腐蚀很小,而42CrMo 在 650?时 基 本 不 被 腐 蚀.孙 建 强等 23-
13、24,研究了 Al-34%Mg-6%Zn 合金与SS304L 不锈钢和 C20 碳钢在 450?到室温反复1000 次热循环后,腐蚀率分别为 0.0829 mg/d、0.0953 mg/d.可见,SS304L 不锈钢比 C20碳钢更能与该相变合金相容.从上研究可知,温度对容器浸蚀的影响很大,浸蚀随温度的升高而越来越严重.当温度高于铁-铝共晶温度 655?时,一方面大量形成铁铝共晶体系,另一方面铁和碳的溶解增加,使浸蚀程度变得严重.容器中碳含量越高,碳溶解于铝液越多,浸蚀就越严重.对于富含 Cr、Ni 等元素的1Cr18Ni9T i 不锈钢、0Cr18Ni9 不锈钢和 SS304L不锈钢等,其耐
14、高温铝液浸蚀的能力强.4?铝合金的热稳定性研究?储热材料的热稳定性是指在多次反复熔化?凝固热循环过程中,材料热物性的变化程度.影响铝合金热稳定性的主要因素是其组织结构的变化,容器材料 Fe 元素的增加是导致铝合金组织结构变化的主因.国内学者的研究集中在铝合金组织结构变化对其相变温度和潜热的影响(见表 3).表 3?铝合金经多次热循环后相变潜热和相变温度的变化合金成份Al-13%SiAl-12%SiAl-11%SiAl-34%M g-6%Zn温度范围(?)510 610300 60025 60025 450循环次数(次)72057001000相变潜热变化率-10.5%-0.4%-10.8%-2.
15、1%相变温度变化率基本不变+2.1%-1.3%来源邹向 12?刘靖 13张仁元 11孙建强 16?张仁元 11认为,Al-Si 合金在 0 次循环时,由于铸造中的高温和非平衡冷却,得到的?-Al固溶体是过饱和的,含有相当的硅和其他杂质,造成?-Al 晶胞的畸变,使原子间的键合受到影响.但在反复熔化-凝固的热循环条件下,合金铸态组织结构发生非平衡的失稳.首先,热作用导致?-Al 固溶体中硅元素和杂质的脱溶,硅形成二次硅晶相分布在基体上,而?-Al 固溶体发生贫乏,?-Al 晶胞的畸变逐渐消失,晶格常数恢复正常.脱溶改变了合金的晶体结构.其次,共晶硅相长大聚集成球状,从而降低其界面能,有利于相变的
16、发生.因此铝合金的相变潜热随着反复熔化-凝固热循环次数的增加而下降,但降幅不大;相变温度也有所变化,但非常小.铝合金相变潜热变化的另一个原因是,在高温时容器 Fe 溶入到合金中,引起合金组织结构发生变化.铝合金熔体对容器材料有腐蚀性,容器材料中少量的Fe 溶于合金熔体中,高温时Fe 在?-Al 中的固溶度很小,多余的 Fe 生成 FeAl3相,其键合更强,导致?-Al 晶胞数量减少,使熔化需要击断的结合键数量下降,从而相变潜热降低 11.陈正荣等 25研究了高温时 Fe-C 材料容器中 Fe 的扩散对 Al-Si 合金热稳定的影响.容器表面未经处理时,在 800?下保温 100 h,上层非沉淀
17、层的Fe 含量从 0.44%升至 6.67%,下层沉淀层的 Fe含量则升至 36%,潜热值从 506 kJ/kg 降至 191kJ/kg;而表面经处理后,在800?下保温240 h,合金中 Fe 含量?0.6%,潜热值从 506 kJ/kg 仅降至 493 kJ/kg.张仁元等 11研究了容器中 Fe 溶入到 Al-11%Si 合金后对其潜热的影响.当容器中?54?兰 州 工 业 高 等 专 科 学 校 学 报?第 17 卷Fe 溶入 0%、0.1%和0.5%时,潜热分别为484.86 kJ/kg、453.6 kJ/kg 和 464.3 kJ/kg.上述研究表明:随着容器材料 Fe 溶入量的增
18、加,合金的相变潜热呈下降趋势.5?铝合金研究展望?在太阳能高温热发电技术中,发电系统的成本决定于系统的效率,系统的效率决定于介质温度,介质温度决定于储热材料的高温性能.因此,今后太阳能热发电技术将向超高温方向发展,超高温条件下的储热材料的热物性研究将成为重点.从铝合金目前的研究现状看,不同组份的铝合金的热性能研究少、铝合金在 1000?以上条件下的抗氧化性研究几乎没有、铝合金的热循环稳定性研究仅限于 610?以下、腐蚀性的研究温度范围也囿于熔点附近,因此研究各种不同组份的铝合金在超高温(1000?以上)条件下的抗氧化性、热循环稳定性、腐蚀性和相变潜热变化等具有重要的理论意义和实践价值.参考文献
19、:1?郭成州,黎锦清.太阳能热利用储能材料的研究 J.国外建材科技,2007,28(5):18-22.2?Chaxiu Guo,Wujun Zhang.Numerical simulationand parametric study on new type of high tempera-ture latent heat thermal energy storage system.En-ergy Conversion and Management,2008(49):919-927.3?Mohammed M.Farid,Amar M.Khudhair,Siddiq-ue Ali K.Razack
20、,Said Al-Hallaj.A review onphase change energy storage:materials and applica-tions.Energy Conversion and Management,2004(45):1597-1615.4?M urat M.Kenisarin.High-temperature phasechange materials for thermal energy storage.Re-newable and Sustainable EnergyReviews,2010(14):955-970.5?孙建强,张仁元.金属相变储能与技术的
21、研究与发展J.材料导报,2005,19(8):99-105.6?Bel?n Zalba,Jos?M-Mar?n,Luisa F.Cabeza,Harald Mehling.Review on thermal energy storagewith phase change:materials,heat transfer analysisand applications.Applied Thermal Engineering,2003(23):251-283.7?Birchenal CE,Telkes M.T hermal storage in metal.In:Sharing the sun:s
22、olar technology in the seven-ties?joint conf.American section of ISES and solarenergy society of Canada,1976(8):138-154.8?Birchenall C E,Riechman A F.Heat storage in eutec-tic alloys.Metall T rans A,1980,11A(8):1415-20.9?Farkas D,Birchenall C E.New eutectic alloys andtheir hears of transformation.Me
23、tall Trans A,1985,(16A):323.10?Gasanaliev AM,Gamataeva BYu.Heat-accumu-lating properties of melts.Russ Chem Rev,2000,69(2):179-186.11?张仁元,孙建强,柯秀芳.Al-Si 合金的储热性能 J.材料研究学报,2006,20(2):156-160.12?邹?向,仝兆丰,赵锡伟.铝硅合金用作相变储热材料的研究 J.新能源,1996,18(8):1-3.13?刘?靖,王?馨,曾大本.高温相变材料 Al-Si 合金选择及其与金属容器相容性实验研究 J.太阳能学报,2006,
24、27(1):36-39.14?Wang X,Liu J,Zhang Y,Di H,Jiang Y.Exper-imental research on a kind of novel high-tempera-ture phase change storage heater.Energy ConversM anage,2006,47(15-16):2211-2222.15?程晓敏,官计生,胡?胜.铝合金高温储热材料及储热系统设计 J.中国材料科技与设备,2008(2):91-93.16?孙建强,张仁元,沈学忠.Al-34%Mg-6%Zn 和Al-28%Mg-14%Zn 合金的热分析研究 J.广东
25、工业大学学报,2006,23(3):8-15.17?张国伟,侯?华,毛红奎.铝液腐蚀 1Cr18Ni9Ti 不锈钢的机理研究 J.铸造设备研究,2008(2):1-4.18?黄守伦,杨明红.铁基合金铝液腐蚀机理的研究 J.武汉交通科技大学学报,2000,24(6):663-666.19?李辉鹏,张仁元,陈?枭,等.盛装储热铝硅共晶合金的容器材料研究 J.广东工业大学学报,2009,26(2):36-39.20?邹?向,王良焱.液态铝硅合金的浸蚀研究 J.腐蚀与防护,1995(2):214-216.21?顾国成,刘邦津.热浸镀 M.北京:化学工业出版社,1988.22?杨世伟,李?莉,罗兆红.1
26、Cr18Ni9Ti 钢热浸镀 Al?55?第 2 期?王克振等:高温相变储热铝合金材料的研究现状及展望?-Si-RE 的抗高温氧化性能 J.腐 蚀与防护,2000,21(2):64-66.23?孙建强,张仁元,钟润萍.Al-34%Mg-6%Zn 合金储热性能和液态腐蚀实验研究 J.腐蚀与防护,2006,27(4):163-167.24?J.Q.Sun,R.Y.Zhang,Z.P.Liu,G.H.Lu.Thermal reliability test of Al 34%Mg 6%Znalloy as latent heat storage material and corrosionof met
27、al with respect to thermal cycling.EnergyConversion and M anagement,2007(48):619-624.25?陈正荣,刑登清,王守彪.金属相变高温贮存太阳能的研究 J.西藏科技,1995(70):10-12.A Review on Aluminium Alloy as High Temperature Phase ChangeMaterial for Thermal Energy StorageWANG Ke-zhen,GUO Chang-hua(Renewable Energy Laboratory,Lanzhou Unive
28、rsity of Technology,Lanzhou 730050,China)Abstract:Metal alloys as phase change materials for thermal energy storage provide much higher storagedensity,thermal reliability,thermal conductivity,and show lower degree of super-cooling,phase segre-agtion,cost performance et al.T hey are widely used as hi
29、gh temperature phase change materials.In allmetal materials,aluminium alloy possess the best comprehensive properties.Previous work on the studyof the aluminium alloy as high temperature phase change materials is reviewed and an insight to recentefforts is provided.Key words:high temperature;phase c
30、hange materials;aluminium alloy;review(上接第 41 页)11?郭书祥,冯立富.概率可靠性模型的可靠性 J.空军工程大学学报(自然科学版),2000(10):72-74.12?贡金鑫,仲伟秋,赵国藩,等.工程结构可靠性基本理论的发展与应用(1)J.建筑结构学报,2002(8):2-9.13?贡金鑫,仲伟秋,赵国藩,等.工程结构可靠性基本理论的发展与应用(2)J.建筑结构学报,2002(10):2-9.14?贡金鑫,仲伟秋,赵国藩,等.工程结构可靠性基本理论的发展与应用(3)J.建筑结构学报,2002(12):2-9.Analysis of Advantag
31、es and Disadvantages of Probabilistic Reliability ModelZHANG M ing-lang(Department of Civil Engineering,Lanzhou Polytechnic College,Lanzhou 730050,China)Abstract:Chinese structural design specification uses probabilistic reliability model as a structural designtheory which has advantages and disadva
32、ntages like other mathematical models.T he concept of probab-ilistic reliability model is introduced,and the model is studied by the comparative and calulation analysismethod.The advantages and disadvantages are analysed,and the direction for improvement is also point-ed out.Key words:probabilistic reliability model;advantages;disadvantages;improvement?56?兰 州 工 业 高 等 专 科 学 校 学 报?第 17 卷