一种高性能高温Ni-Mn-Ti-B固-固相变储热材料及其制备方法

摘要

本发明公开了高性能高温Ni‑Mn‑Ti‑B固‑固相变储热材料及其制备方法。本发明涉及的(NixMnyTiz)mBn块体相变材料是一种无机金属固‑固相变储热材料，属于金属相变材料、能源存储和电子器件热管理技术领域。该金属材料的摩尔百分含量为Ni：25≤x≤65at.%，Mn：10≤y75at.%，Ti：0z≤40at.%，B：0≤n≤5at.%(x+y+z=100,m+n=100)。本发明公开的Ni‑Mn‑Ti‑B块体固‑固相变储热材料具有高相变温度、大的相变潜热、高密度、高热导率、优异的热循环稳定性、无泄漏等优点，其适用于高温储热及电子器件热管理系统；另外该相变储热材料制备过程简单且便于生产，具有很大的商业应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高储能密度、高功率Ni-Mn-Ti-B固-固相变储热材料及其制备方法，属于金属相变材料、能源存储和电子器件热管理技术领域。

背景技术

随着全球能源消耗的快速增长，化石燃料稀缺已严重阻碍了社会的可持续发展，这推动了可再生能源的开发，以缓解能源危机和环境问题。然而，可再生能源的波动性和间歇性限制了它们在许多重要领域的使用。值得注意的是，热能储存是提高能源利用效率和保护环境的重要技术，它可以解决能源供需在时间、强度和空间上不匹配的问题，在太阳能利用、电力“移峰填谷”、废热和余热的回收利用以及大功率电子设备的热管理等领域具有广泛的应用前景。

高性能储热材料是储热技术的核心。在现有材料中，相变材料（phase changematerials, PCMs）由于其独特的高储能容量和相变过程中温度变化小的优势而引起了广泛关注。相变材料储能是利用物质在相变过程中吸收或放出相变潜热的原理进行能量储存与释放。作为一种被广泛接受的相变材料性能的指标，FOM（figure of merit）被定义为相变材料整体热物理性质的函数，

根据相变所涉及的相态，主流的相变材料可分为固-液相变材料（SL-PCMs）和固-固相变材料（SS-PCMs）。尽管固-液相变材料被广泛的研究和使用，但它存在液相易泄漏、腐蚀性以及需要额外高成本封装等缺陷。相比之下，固-固相变材料具有以下优点：①无相分离现象且过冷度小；②体积变化小；③无泄漏，无需封装且易加工成各种形状；④无毒无腐蚀无污染，性能稳定，使用寿命长等。因此，近年来，人们对开发高性能的固-固相变材料给予了极大的关注。

随着先进能源系统和大功率电子器件的快速发展，许多工作温度超过100°C的关键应用迫切需要高性能高温相变材料。例如，太阳能塔式发电厂需要相变温度为290–565°C的相变材料。工业和高温气冷核反应堆的高品位余热的收集和回收需要相变温度高于200°C的相变材料。由Si、GaAs和GaN制成的新兴微波半导体器件的最高工作温度为300–700°C，需要相变温度高于300°C的相变材料才能实现有效的热管理。尽管熔融盐和金属等一些固-液相变材料已被用于高温热能储存，但这些材料除了上述固-液相变材料的共同缺点外，在高温下还存在腐蚀、与容器发生化学反应的严重缺点，这对系统的热循环稳定性和使用寿命造成很大威胁。采用高温固-固相变材料可能是解决此问题的有效策略。然而，当前固-固相变材料的相变温度通常较低（低于200°C，见图11和表1）。因此，探索高FOM高温固-固相变材料以在高温下实现高效、稳定的热能存储应用势在必行且具有挑战性。

发明内容

本发明为满足上述需求，开发了一种高性能高温Ni-Mn-Ti-B固-固相变储热材料及其制备方法，其适用于高温储热及电子器件热管理系统。

一种高性能高温Ni-Mn-Ti-B固-固相变储热材料，其组成成分如下：(Ni

上述相变储热材料的制备方法如下：

步骤一、按配比称取高纯镍、高纯锰、高纯钛、高纯硼；

步骤二、将步骤一称取的原料混合后：利用非自耗高真空电弧熔炼炉熔炼，获取铸锭，熔炼过程中使用高纯氩气作为保护气体，原料至少被熔炼五遍，确保成分的均匀性；

步骤三、将步骤二所得熔炼好的铸锭封入充满氩气的石英管；

步骤四、将步骤三所得封入石英管的铸锭连同石英管放入设置900°C的箱式热处理炉保温热处理48h后，用坩埚钳将石英管从箱式炉取出，敲碎石英管，将铸锭放入水中淬火处理，得到合金铸锭，该合金铸锭即为成品。

上述步骤一中各单质原料均为纯度大于99.99wt%的单质原料。

上述步骤二中，还可以采用如下方法：

利用高真空感应熔炼炉熔炼来获取铸锭，其中熔炼过程中使用高纯氩气作为保护气体，原料被熔炼至少两次，每次熔炼时间两分钟，以确保成分的均匀性。

本发明的有益效果是：

由于采用以上技术手段，使得发明具有以下优势：

本发明提供的Ni-Mn-Ti-B固-固相变储热材料，它的FOM最高可达9056×10

附图说明

图1：(Ni

图2：(Ni

图3：(Ni

图4：(Ni

图5：(Ni

图6：Ni

图7：Ni

图8：(Ni

图9：(Ni

图10：(Ni

图11：典型SS-PCMs和SL-PCMs的FOM和相变温度的对比（这里非金属类SS-PCMs

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

步骤一、将高纯镍、高纯锰、高纯钛、高纯硼按(Ni

步骤二、将步骤一称取的原料混合后：利用高真空感应熔炼炉熔炼来获取铸锭，其中熔炼过程中使用高纯氩气作为保护气体，原料被熔炼至少两次，每次熔炼时间两分钟，以确保成分的均匀性；

步骤三、将步骤二所得熔炼好的铸锭封入充满氩气的石英管；

步骤四、将步骤三所得封入石英管的铸锭连同石英管放入设置900°C的箱式热处理炉保温热处理48h后，用坩埚钳将石英管从箱式炉取出，敲碎石英管，将铸锭放入水中淬火处理，得到合金铸锭，该合金铸锭即为成品；

步骤五、从合金铸锭中取样品进行一系列的表征技术检测其各方面的性能。

所述(Ni

实施例2

步骤一、将高纯镍、高纯锰、高纯钛、高纯硼按(Ni

步骤二、将步骤一称取的原料混合后：利用非自耗高真空电弧熔炼炉熔炼，获取铸锭，熔炼过程中使用高纯氩气作为保护气体，原料至少被熔炼五遍，确保成分的均匀性；

步骤三、将步骤二所得熔炼好的铸锭封入充满氩气的石英管；

步骤四、将步骤三所得封入石英管的铸锭连同石英管放入设置900°C的箱式热处理炉保温热处理48h后，用坩埚钳将石英管从箱式炉取出，敲碎石英管，将铸锭放入水中淬火处理，得到合金铸锭，该合金铸锭即为成品；

步骤五、从合金铸锭中取样品进行一系列的表征技术检测其各方面的性能。

所述(Ni

实施例3

采用与实施例1相同的制备方法，制备的成分为(Ni

实施例4

采用与实施例1相同的制备方法，制备的成分为(Ni

实施例5

采用与实施例1相同的制备方法，制备的成分为(Ni

实施例6

采用与实施例1相同的制备方法，制备的成分为Ni

实施例7

采用与实施例2相同的制备方法，制备的成分为Ni

实施例8

采用与实施例2相同的制备方法，制备的成分为(Ni

实施例9

采用与实施例2相同的制备方法，制备的成分为(Ni

实施例10

采用与实施例2相同的制备方法，制备的成分为(Ni

综合上述实施例及相应实验数据，以及现有技术中各种典型SS-PCMs性能参数，制得如下表1

表1典型SS-PCMs的热物性和特征

解读表1和图11可知，相对于现有技术，本申请提供的技术方案具备高FOM和高导热性，该Ni-Mn-Ti-B固-固相变储热材料是高效、紧凑和耐用的高温热能存储应用的有力候选者。

以上实施方案并非是随本发明的限制，本发明并不仅限于上述举例，本发明领域的技术人员在本发明内的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加和替换，也均属于本发明的保护范围。