铜锌基合金高温相变储热材料组织、结构及储热性能研究

摘要

到目前为止，国内外对于合金高温相变储热材料的研究依旧是以铝基合金为主。但是铝的活泼性很强，在高温下几乎与大多数金属和非金属形成低熔点共晶体，极易造成容器的腐蚀，同时铝基合金的相变温度局限于400～650℃之间，限制了铝基合金储热材料在更高温状态下的使用及发展。本课题以铜锌为基，研究相变温度在600～850℃之间，储热密度尽可能大的高温合金材料。
　　 本课题结合含铜锌的二元及多元合金相图，共设计制备了多组铜锌基材料，选定Cu-Zn二元及Cu-Zn-Al三元合金等多组相变温度在600～850℃之间的试样进行深入研究。通过X射线荧光分析对合金成分进行测定，结合各样品的金相图片和XRD衍射图谱，对合金的微观结构成分进行分析;采用差热分析(DTA)方法来对合金的相变温度及相变潜热进行表征;采用奈曼-柯普定律测量合金的比热容;采用流体静力学方法对密度进行测量。
　　 本文结合潜热及显热来分析合金的单位质量总储热量。在600～850℃之间，储热材料单位质量相变潜热受元素的热焓值和物相组织的热焓值影响，材料的显热主要跟各组成元素的比热容及其含量有关。Cu-Zn-Al三元合金的相变焓及显热值普遍高于Cu-Zn二元合金，铝含量的增加能有效增大合金材料的相变潜热值及显热值，锌含量的增加对合金材料的相变潜热及显热值有负影响。
　　 铜含量为25％的Cu-Zn二元合金的密度达7.686g/cm3，相变温度范围为811.3～830.3℃，单位体积总储热量达2838.4J/cm3，在二元合金中综合储热能力较强;Cu-Zn-Al三元合金中，Cu-30％Zn-20％Al合金的相变温度范围为684.9～706.4℃，合金密度为5.818g/cm3，单位体积总储热量达到3014.8J/cm3，储热能力较强。二元合金随Cu含量的增加，析出γ相增多，凝固潜热呈逐增趋势;三元合金随着铝含量由10％～20％范围的逐增，β相区减小，δ相区增大，熔化潜热出现逐增趋势。
　　 通过本文研究，铜锌基合金在单位体积储热量上有着较大优势，作为高温储热材料具有广阔的应用前景。