单分散BI-Ga核壳粒子形貌控制及热循环性能

摘要

均质偏品合金在工业上潜在用途广泛，然而，由于其在凝固过程中容易发生相分离而难以获得，这大大限制了其应用。基于相分离特性发展而来的核壳型结构材料近年来备受关注，这类结构材料可以用于汽车工业、电子封装、导电填充、相变储能等领域，应用的前提是能够制备粒径均一、形貌一致的核壳型复合结构，然而，目前技术（包括气雾化法、落管法、射流断裂法等）均难以实现上述目标，亟需一种有效方法来进行研究。脉冲微孔喷射法能够制备高精度的金属/合金微粒子，是一种有效方法。本文对Bi-Ga偏晶合金核壳粒子形貌控制及形成机理进行了研究，同时，对核壳结构的相变行为进行初步研究。
　　首先，利用脉冲微孔喷射法制备了单分散尺寸及近乎相同形貌的Bi45Ga55合金核壳结构粒子，且在常规重力无容器凝固条件下首次获得了以高熔点的Bi富集相为外壳的核壳结构粒子。从技术及凝固角度分别分析了单分散粒子、核壳结构的形成。Bi富集相外壳是Bi发生表面偏析的结果。利用FLUENT软件模拟了液滴凝固过程中的温度场，并计算了第二相小液珠的Marangoni运动及Stokes运动速率，计算结果表明，Marangoni运动在整个凝固过程中一直占据主导作用，这说明了同心圆结构的成因，同时利用图解总结了Bi-Ga合金核壳结构形成过程。研究了过热度、超声振荡对形貌的影响。合金粒子与核心直径之间满足线性关系:Dcore=0.79Dparticle-51.3，线性相关度达0.976。
　　其次，研究了过偏晶成分区六组组分的核壳形貌，每组分下均形成了较为完美的核壳形貌。随着Ga含量的增大，形貌由同心圆形、新月形、同心圆形依次演变。研究中首次发现所有组分下的核壳结构均为Ga富集相核心，得出了核壳形貌不随少数体积相无关的结论。利用示意图总结了不同少数体积相下的核壳结构形成机理。讨论了超声振荡、粒子尺寸、合金成分、以及过热度对核壳形貌的影响。探讨了合金成分及过热度与粒子尺寸之间的关系，结果表明，同一过热度下，随Ga含量增多，粒子尺寸先增大后减小，在同一组分下，粒子尺寸随过热度的增大而减小。建立了润湿模型及小球模型，其模型预测与实验观察相一致。
　　再次，利用DSC热循环测试研究了核壳结构粒子作为相变微胶囊储热材料的可能性，结果表明，Bi45Ga55合金核壳粒子在难混溶区及其以下温度的热循环中稳定性较好;不同组分的Bi-Ga合金核壳结构粒子，在-20～100～-20℃的热循环中均能保持结构的稳定性，热密度随Ga含量的增加而增大，Bi15Ga85的热密度最大;在-20～300～-20℃的热循环温后粒子稳定性不好;热循环温度为-20～100～-20℃下的Bi45Ga55合金粒子，在多次循环次数下表现出了很好的稳定性，其加热发生相变时的热密度在10.75～11.25J/g之间，热性能非常稳定;在偏晶温度线以下，Bi45Ga55合金粒子的热密度随最高加热温度的升高而增大。