Mg-Cu-Zn-Al-Si多元合金相变材料储热性能的研究
步入21世纪后，环境问题在全球范围内逐渐凸显出来，经济全球化在给中国带来机遇的同时，也带来不可忽视的环境问题。近两年，全国范围内出现了“雾霾”等严重的环境问题，更将生态平衡和环境污染推向了风口浪尖。太阳能作为绿色能源，具有取之不尽用之不竭的特点，若能大力开发使用，将有效的遏制环境污染。储热材料是太阳能热发电的关键环节，金属相变储热材料具有使用温度高、储热量大等优点。本文在Al基金属储热材料的研究基础之上，制备出4种Mg-Cu-Zn三元合金，并在Mg-25Cu-15Zn共晶合金的基础之上，添加Al、Si元素，得到Mg-Cu-Zn-Al-Si五元合金。使用金相显微镜和XRD衍射分析仪对材料的显微组织进行分析，利用差示扫描量热仪测试材料的相变温度和相变潜热，通过奈曼-柯普定律(Neumann-kopp)测得合金的比热容，利用阿基米德排水法测定材料的密度，并综合分析合金的储热能力。结果表明，潜热储热也是材料储热性能不可小觑的一部分，三元合金中Mg-25Cu-15Zn共晶合金具有最高的相变潜热和最大的单位体积总储热量，依次为238.6J/g、1033.0J/cm3。在本实验Al、Si元素的添加范围内，五元合金的相变潜热和单位体积总储热量均随着Al、Si元素添加量的增加而增大，其中Mg-17.9Cu-10.8Zn-21.3Al-7.1Si具有最高的相变潜热和单位体积总储热量，为265.9J/g和1358.7J/cm3。采用静态腐蚀实验法研究了20钢、A3钢、18Cr9Ni不锈钢和0Cr25Ni20不锈钢在500℃液态Mg-17.9Cu-10.8Zn-21.3Al-7.1Si储热合金试样中的腐蚀情况。使用光学显微镜和XRD衍射分析仪对浸蚀层显微组织进行分析；利用扫描电子探针对浸蚀试样进行测试，分析合金与容器的相容性；通过光学分度仪对浸蚀层的厚度进行了测量。研究结果表明，碳钢的腐蚀层为松散锯齿状，而不锈钢的腐蚀层则为致密平整带状。浸蚀层均主要由Fe相和Mg相组成，浸蚀试样的厚度虽略有减小，但不锈钢相比碳钢的浸蚀层厚度略小一些。浸蚀实验结果表明，液态Mg-17.9Cu-10.8Zn-21.3Al-7.1Si合金试样对浸蚀试样的腐蚀过程主要是：首先Mg、Al等原子在高温状态下与浸蚀试样接触腐蚀，其后产生连续的腐蚀层，Mg原子由高浓度处向低浓度的浸蚀试样中扩散产生进一步腐蚀。此外，不锈钢中的合金元素在晶界处产生偏聚现象，形成一定的保护层，阻碍Mg原子的扩散，而这种阻碍机制较C原子阻碍强，使得浸蚀层的形成速度变缓，使得不锈钢的防腐蚀能力强于碳钢。通过本实验的研究，我认为Mg-Cu-Zn-Al-Si合金具有良好的热物理性能，且相比于Al基储热材料与容器也有更好的相容性，作为高温储热材料具有良好的潜质。
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