[发明专利]一种无机盐/陶瓷基复合储热材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种储热用的复合相变储热材料成分、比例及其制备方法，属于热工和功能材料领域。

无机盐/陶瓷基复合储热材料属于粘接性多孔介质材料，在能源领域中有着重要的作用。无机盐/陶瓷基复合相变储热材料的研究，从产生这新的概念到现在，已经取得了明显的进展，为材料产品化及其在工业蓄热器和太阳能动力系统的应用提供基础依据。但原有的这种复合材料都在不同程度上存在以下问题：盐类在固液相变过程体积的缩胀会导致复合材料热阻的变化；熔盐蒸发将减少相变材料的分额，降低储热性能；

本发明的目的就是要在以前研究结果的基础上改进无机盐/陶瓷基复合相变储热材料的性能，研制出一种储热能力大、相变时放热温度稳定和能避免或减少蒸发现象的材料；使其能在储热系统及蓄热器的应用中普及使用。

无机盐/陶瓷基复合相变材料在熔化及凝固过程中，无机盐气相的生成意味着相变材料质量的损失，这将会导致复合相变材料长期热性能的下降，同时气态无机盐在融盐与陶瓷基毛细孔壁之间形成的气膜将增大导热热阻，不利于融盐潜热的传递，因此融盐气相的生成及其对材料相变过程的影响是问题的关键。我们经过研究发现：在颗粒直径只几微米的超微多孔结构的盐/陶瓷基复合材料中，无机盐分布在陶瓷基体的超微多孔网络中。在受热并超过熔点时，无机盐熔化而发生相变和吸收热量，融盐则因与超微多孔通道产生的毛细张力保持在陶瓷基体内而不流出。另一方面，由于是超微细网络多孔结构，还能有效地避免了无机盐气相的生成。

本发明所介绍的新型复合材料是一个颗粒度为微米级，且烧结后固连形成超微网络结构的含饱和无机盐陶瓷体多孔介质，这种无机盐/陶瓷基复合储热材料按重量百分比为：Na₂CO₃ 20—30％，BaCO₃ 18—28％，MgO 44—50％，Bi₂O₃ 3—7％。或者成分为：Na₂SO₄ 45—53％，SiO₂ 42—52％，Bi₂O₃ 3—7％。其制备方法如下：(1)根据上述配方进行配料、混合。(2)用无水乙醇作为助磨剂，采用球磨粉碎方式对原料进行粉碎，研磨成微米级极细粉末。(3)烘干、加压成型，形状是根据蓄热器的大小、结构来确定。可以是球型、砖型等。(4)在烧结炉中进行高温烧结，最佳的烧结温度为：850℃—1200℃。最后高温烧结形成颗粒直径只几微米的超微形多孔结构的盐/陶瓷基复合材料。

用本发明研制出来的在热性能和机械性能均满足工业应用的盐/陶瓷基复合材料产品性能如下：熔融温度880～900℃，总储热能力180～200焦耳/克，其使用的最高温度达到900～1300℃。

本发明与现有储热材料与技术相比，具有如下的优点和积极效果：这种材料可制成各种形状的元件，以填充床形式堆积构成储热系统，在运行中，同时利用无机盐的潜热和复合材料的显热储存热能。这种潜热/显热复合系统既保持着潜热储能密度大且能量输出稳定的特点，又具有显热储能介质可与换热流体直接接触换热的优点，还克服了潜热存储系统需要耗费大量金属容器、管材和存在熔盐腐蚀的缺点。它可用于工业炉的蓄热器、炼铁热风炉、余热回收，还有太阳能储能系统。这种复合材料可用于替代传统蓄热器和热风炉的耐火砖或板，使其蓄热量比现蓄热器和热风炉耐火砖大2～2.5倍，在改善储热系统性能的同时，大大地降低了造价。经济分析表明，应用这种材料的高温储能系统，比传统系统的成本允许线降低30％，如具体用于热风炉，将使其体积减少35％，造价降低11％。