一种低熔点高潜热相变储能材料及其制备方法

文档序号：872316 发布日期：2021-03-19 浏览：12次 >En<

阅读说明：本技术 一种低熔点高潜热相变储能材料及其制备方法 (Low-melting-point high-latent-heat phase change energy storage material and preparation method thereof ) 是由郭宏杜世杰谢忠南张习敏黄树晖米绪军于 2020-11-19 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种低熔点高潜热相变储能材料及其制备方法,属于相变储能领域。该材料为具有共晶熔化特性的低熔点高潜热合金,按照重量百分比计,包含有：In 10-25％,Sn 10-25％,Ga 0-4％,Zn 0-4％,余量为Bi。制备时,首先按照所述配比称取各组分,将纯度为99.995wt％以上的铟、锡、镓、锌和铋放入真空熔炼炉,然后在真空熔炼炉中隔绝空气控制水、氧含量的条件下进行熔炼、搅拌、浇注和冷却步骤。本发明材料的熔化温度在90～100摄氏度之间,单位体积潜热达到420J/cm～3以上。本发明合金成分体积相变潜热高,合金中不含有有毒有害元素,能广泛应用于电子设备热管理中。(The invention relates to a low-melting-point high-latent-heat phase change energy storage material and a preparation method thereof, belonging to the field of phase change energy storage. The material is a low-melting-point high-latent-heat alloy with eutectic melting property, and comprises the following components in percentage by weight: 10-25% of In, 10-25% of Sn, 0-4% of Ga, 0-4% of Zn and the balance of Bi. When in preparation, the components are weighed according to the mixture ratio, indium, tin, gallium, zinc and bismuth with the purity of more than 99.995 wt% are put into a vacuum smelting furnace, and then the components are put into vacuumAnd smelting, stirring, pouring and cooling are carried out in the smelting furnace under the condition of isolating air and controlling the content of water and oxygen. The melting temperature of the material is between 90 and 100 ℃, and the latent heat per unit volume reaches 420J/cm 3 The above. The alloy of the invention has high volume phase change latent heat, does not contain toxic and harmful elements, and can be widely applied to electronic equipment heat management.)

技术领域

本发明涉及一种低熔点高潜热相变储能材料及其制备方法，具体涉及一种具有共晶熔化特性的低熔点相变储热合金及其制备方法，属于相变储能领域。

背景技术

随着电子封装技术向着高频高速、多功能、高性能、小体积和高可靠性方向发展，器件散热是制约电子产品性能的重要技术瓶颈。面对电子器件复杂的散热环境，大功率组件无法通过风冷，水冷等主动散热手段完成快速有效的温度控制。在无法进行有效散热的情况下，高导热高潜热的相变材料可以以潜热存储的手段吸收余热，完成对放热组件的温度控制，防止芯片的过热，可以有效的保护芯片，延长组件的使用寿命。

而随着5G时代的来临，信息传输速度更加迅捷，高的信息传输往往带来高的发热效果。目前针对高集成化带来的高发热情况，使用最多的是有机类相变材料作为储热材料对热量进行控制管理。但是有机类相变材料存在三个问题无法解决：一是较低的体积潜热，一般小于200J/cm³，单位体积内存储的热量少；二是极低的热导率，一般在0.5～20W/mK，即相变材料模块不能快速地对热量变化进行相应，储热性能受到极大影响；三是有机类材料没有一个固定的熔点，因此在器件产生热量后无法将器件温度保持在恒定温度。

针对以上有机类相变材料的不足，现在研究开发了金属类的相变材料。金属类相变材料具有高的体积潜热，在单位体积内可以存储更多的热量；高的热导率，可以对热量进行快速响应，能有效控制器件过热。但是在设计低熔点的金属类相变储热材料时，仍然存在许多难以解决的问题。

目前披露的相变温度在100℃以内的储热相变材料中含有的Cd，Pb为环境有害元素，在生产、使用过程中受到极大制约。总结二元系低熔点合金热物性发现，基于Pb、Sn、Bi、In、Cd等元素的二元合金体系熔点大都在100～200℃之间。公开号为CN106756418A的专利公开了一种高储能密度高热导率的相变储能低熔点合金及其制备方法。所述合金中各化学成分的重量占比为：15.6～16.8％的Sn，11.9％～13.3％的In，17.8％～19.3％的Pb，6.9％～8.2％的Cd，42.5％～45.3％的Bi，0.3％～0.9％的镀石墨烯的铜粉。公开号为CN106282734A的专利公开了一种高热导率的低熔点下改变储能合金，该发明的相变储热材料熔化温度在53～75℃之间，但是其中仍然含有Cd，Pb两种环境有害元素。

目前披露的相变温度在100℃左右的相变材料潜热较低，研究发现高的In元素添加会极大的降低材料的相变潜热。而Bi，Sn的大量加入虽然会增加相变潜热，但会使合金在熔化过程中出现多个熔点的熔化特性，极大的降低了材料的循环使用性能。公开号CN103146975A的专利公开了一种熔点在116±2℃的无铅低温合金及其制备方法，公开号CN103146976A的专利公开了一种熔点在100±2℃的无铅低温合金及其制备方法，以上几种低熔点合金虽然不含环境有害元素，且熔程窄，但是其相变潜热低，实际使用过程中储热量少。

因此，需要一种熔化温度在90～100℃环境友好的低熔点高潜热的具有共晶熔化特性的金属相变储热材料。通过技术对比，本发明专利与上述专利公开文献存在较大不同。

发明内容

本发明的目的之一是开发一种熔化温度在90～100℃，并且相变潜热优于伍德合金，合金中不含有有毒有害元素，能广泛应用于电子设备中的相变储热合金材料。

实现本发明的技术解决方案如下：

一种低熔点高潜热相变储能材料，该材料是一种具有共晶熔化特性的低熔点高潜热合金，按照重量百分比计，该合金包含有：In 10-25％，Sn 10-25％，Ga 0-4％，Zn 0-4％，余量为Bi。

上述合金中，In的质量百分比优选为10-20％，更优选为10-15％；Sn的质量百分比优选为15-25％，更优选为15-20％；Ga的质量百分比优选为0.1-4％，更优选为0.1-2％；Zn的质量百分比优选为0.1-4％，更优选为0.1-2％。

所述合金的熔化温度在90～100℃之间，单位体积相变潜热大于420J/cm³。

本发明的目的之二是提供一种上述低熔点相变材料的制备方法。在氩气保护环境下，通过在真空熔炼炉中熔炼获得低熔点合金。

一种低熔点高潜热相变储能材料的制备方法，包括如下步骤：首先按照所述配比称取各组分，将铟、锡、镓、锌和铋放入真空熔炼炉，然后在真空熔炼炉中隔绝空气控制水、氧含量的条件下进行熔炼、搅拌、浇注和冷却步骤。铟、锡、镓、锌、铋的纯度为99.995％(wt％)以上。

所述隔绝空气控制水、氧含量的方式为：对真空熔炼炉进行抽真空处理，使真空熔炼炉内真空压力达到-0.1MPa，然后向真空熔炼炉中充入氩气至常压。

所述熔炼方式为：将按照配比称取的金属单质放入坩埚中，在隔绝空气控制水、氧含量的环境下用加热炉加热至400-420℃，优选为400℃，加热速率为15-25℃/min，优选为20℃/min，保温15-30min，优选为20min后停止加热，随炉冷却至230-270℃，优选为250℃时进行浇注。

所述搅拌方式为：在合金的金属单质加热完全溶化后，使用搅拌棒进行机械搅拌。搅拌温度应不低于250℃。

所述浇注与冷却方式为：浇注在铜质模具中，冷却方式为水冷淬火。

本发明所述合金中，Bi元素为主要元素，合金中高的Bi元素含量可以保证合金具有高的相变潜热。但是由于Bi元素的单质熔点在271.6℃，在设计熔点在100℃以下的储热合金时，必须通过合金化降低其熔点。因此引入Sn、In两种元素使合金熔点降低至目标范围内，其中In元素的添加可以降低熔点的同时提高合金的热导率，Sn元素的添加可以降低熔点的同时提升材料的质量潜热。单纯的引入In元素会导致相变潜热大幅度下降。单纯的引入Sn元素不能使熔点降到100℃以下。

本发明所述制备工艺中，使用真空熔炼炉可以保证合金在制备过程中不被氧化，加热至400-420℃后保温15-30min可以保证合金中所有成分全部熔化，随炉冷却可以保证材料在降温过程中不被氧化，机械搅拌温度高于250℃可以保证在搅拌时金属液中无凝固颗粒。

本发明所述制备工艺制备的低熔点相变储能合金，其熔化温度在90～100℃，具有高的体积相变潜热，且熔化曲线具有单熔点的共晶成分特征。所述具有共晶熔化特性的低熔点高潜热相变储能合金可用作电子设备热管理用的相变材料。

本发明的优点：本发明所获得的合金材料，其熔化温度在90～100℃之间，体积相变潜热达到420J/cm³以上，符合当前许多大功率器件热管理用储能需求；该相变材料的熔化曲线呈单熔点的共晶成分特征，具有良好的循环稳定性，在材料随着器件温度多次吸热和散热后，仍然能保持成分稳定。本发明所使用的制备方法能有效控制材料的成分均匀性，并且有效控制了材料的氧化以及烧损。

附图说明

图1-5分别为实施例1-5制备合金材料的熔化曲线。

具体实施方式

本发明具有共晶熔化特性的低熔点高潜热相变储能合金，由以下重量百分比的组分组成：铟In 10％～25％；锡Sn 10％～25％；镓Ga 0％～4％；锌Zn 0％～4％；余量为Bi。优选的，In为10％～15％；Sn为10％～15％。制备时，首先按照所述配比称取各组分，将称取所得的金属单质纯度为99.995％(wt％)以上的铟、锡、镓、锌、铋放入真空熔炼炉，然后在真空熔炼炉中隔绝空气控制水、氧含量的条件下进行熔炼、搅拌、浇注和冷却步骤。

本发明基于通过对In-Bi-Sn三元合金体系进行相图计算与凝固过程模拟，精确设计各元素的比例，核心在于控制元素In的含量。其中In含量过多会降低合金的相变潜热，In含量过少则合金的熔点过高。最后结合热力学设计加入Ga、Zn元素进一步调整合金的相变潜热以及相变温度，同时Ga、Zn的加入还可以改善合金的热导率，调节合金的密度。

实施例1

一种高潜热相变储能材料的方法，包括以下步骤：

(1)本实施例具有低熔点高潜热的具有共晶熔化特性的合金组分及重量配比如下：Sn 10％，In 10％，Bi 80％。

(2)按照上述配比，取相应质量的纯度为99.995％的Sn、In、Bi单质金属块，在95％酒精溶液中超声清洗5min，放入烘干箱中干燥。将干燥的金属单质放入真空熔炼炉中，关闭真空熔炼炉后进行抽真空处理，使真空熔炼炉内真空压力达到-0.1MPa，然后向真空熔炼炉中充入氩气至常压。

(3)将金属单质放入坩埚中，在隔绝水氧的环境下用加热炉以20℃/min的加热速率加热至400℃，保温20min后停止加热。随炉冷却至250℃。在保温与冷却过程中使用搅拌棒进行机械搅拌。