摘 要

相变储热材料的研究是材料界前沿的课题之一，金属基相变储热材料储热密度大、热循环稳定性好，是一种理想的储热材料。相比传统铝基合金相变储热材料，发展新型镁基储热合金可为提高能源的利用率和推动新能源的开发起到一些促进和参考作用。

本文设计了Mg-Al-Sn、Mg-Cu-Sn、Mg-Cu-Bi和Mg-Ca-Sn四种合金试样化学成分，通过XRD衍射法和金相显微分析法确定合金物相种类，利用差示扫描量热法（DSC）测定热物性参数。所得主要结论如下：

1. 参考Mg-Al-Sn、Mg-Cu-Sn、Mg-Cu-Bi和Mg-Ca-Sn的三元相图及二元相图明确共晶成分点后，设计的合金化学成分为：Mg-47Al-3Sn、Mg-20Cu-8Sn、Mg-25Cu-5Bi和Mg-15Ca-5Sn。
2. 通过XRD衍射和金相显微分析法分析物相种类，可知Mg-47Al-3Sn合金试样主要相组成为Mg、Mg₂Sn和Mg₁₇Al₁₂。Mg-20Cu-8Sn合金试样主要相组成为Mg、CuMg₂、Mg₂Sn和Cu₄MgSn。Mg-25Cu-5Bi合金试样主要相组成为Mg、CuMg₂和Bi₂Mg₃。Mg-15Ca-5Sn合金试样主要相组成为Mg、CaMg₂和Mg₂Sn。
3. 利用差示扫描量热法（DSC）测定相变温度和相变潜热，可知Mg-47Al-3Sn合金试样相变温度为430.74℃，相变峰值温度为448.03℃，相变潜热为227.5J/g。Mg-20Cu-8Sn合金试样相变温度为462.42℃，相变峰值温度为475.15℃，相变潜热为136.4J/g。Mg-25Cu-5Bi合金试样相变温度为471.82℃，相变峰值温度为479.55℃，相变潜热为193.6J/g。Mg-15Ca-5Sn合金试样相变温度为517.37℃，相变峰值温度为522.74℃，相变潜热为195.1J/g。

试验结果表明熔点较低的Bi、Sn可降低镁合金相变温度，Mg-47Al-3Sn、

Mg-25Cu-5Bi和Mg-15Ca-5Sn相变潜热值较好，可对材料设计不同合金成分，并做热循环、耐腐蚀、与容器相容性等方面的测试工作以继续有关储热性能的研究。

关键词：金属基相变储热材料；Mg基合金；储热性能

Abstract

The study of phase change thermal storage materials is one of the frontiers in the materials community.Metal based phase change thermal storage material is a kind of ideal thermal storage material, which has great heat storage density and good thermal cycling stability.Compared with traditional aluminum based alloy phase change thermal storage materials, the development of new Mg based thermal storage alloys can improve the utilization of energy and promote the development of new energy sources,which can promote the development of new energy sources.

In this paper, the chemical composition of four alloy samples Mg-Al-Sn, Mg-Cu-Sn, Mg-Cu-Bi and Mg-Ca-Sn was designed. The phase type of alloy was determined by XRD diffraction and metallographic analysis and the thermal physical properties was determined by differential scanning calorimetry (DSC).The main conclusions are as follows:

1. After referring to the three phase diagram and the two element phase diagram of Mg-Cu-Sn, Mg-Al-Sn, Mg-Cu-Bi and Mg-Ca-Sn ，the eutectic composition points are identified and the design of the alloy chemical composition is: Mg-47Al-3Sn, Mg-20Cu-8Sn, Mg-25Cu-5Bi and Mg-15Ca-5Sn.
2. By means of XRD diffraction and metallographic analysis, the main phases of Mg-47Al-3Sn alloy sample are α-Mg, Mg₂Sn and Mg₁₇Al₁₂.The main phases of Mg-20Cu-8Sn alloy sample areα-Mg, CuMg₂, Mg₂Sn and Cu₄MgSn.The main phases of Mg-25Cu-5Bi alloy areα-Mg, CuMg₂ and Bi₂Mg3.The main phases of Mg-15Ca-5Sn alloy areα-Mg, CaMg₂ and Mg₂Sn.
3. The differential scanning calorimetry (DSC) was used to measure the phase transition temperature and latent heat. The results show that the phase transition temperature of Mg-47Al-3Sn alloy is 430.74℃, the peak temperature of phase change is 448.03℃, and the latent heat of phase change is 227.5J/g.The phase transformation temperature of Mg-20Cu-8Sn alloy is 462.42℃, the peak temperature of phase change is 475.15℃and the latent heat of phase transformation was 136.4J/g.The phase transformation temperature of Mg-25Cu-5Bi alloy is 471.82℃, the peak temperature of phase change is 479.55℃ and the latent heat of phase transformation was 193.6J/g.The phase transformation temperature of Mg-15Ca-5Sn alloy is 517.37℃, the peak temperature of phase change is 522.74℃and the latent heat of phase transformation is 195.1J/g.

The experimental results show that the Bi and Sn with lower melting point can reduce the phase transition temperature of the Mg alloy. The data of the phase change latent heat of Mg-47Al-3Sn,Mg-25Cu-5Bi and Mg-15Ca-5Sn is applicable，which can be used for material design of different alloy components，and to do the thermal cycling, corrosion resistance and the compatibility of the vessel and other aspects of the test work to continue the study of the thermal storage performance.

Key words：Metal based phase change heat storage material，Mg based alloy，Heat storage performance.

目录

第一章 绪论 1

1.1前言 1

1.2 储热材料概述 2

1.2.1储热材料的种类及特点 2

1.2.2相变储热材料的种类及特点 4

1.2.3相变储热材料的应用 7

1.3 Mg基合金相变储热材料研发现状与进展 8

1.4 本课题研究目的及内容 9

1.4.1 研究目的及意义 9

1.4.2 研究内容及目标 9

1.4.3 实验技术方案 9

第二章 实验材料及测试方法 11

2.1实验材料制备 11

2.1.1成分设计及配料计算 11

2.1.2 实验仪器设备及所用材料 14

2.1.3 合金的熔炼制备工艺 14

2.1.4 合金的金相制备工艺 15

2.2 Mg-Al-Sn、Mg-Cu-Sn、Mg-Cu-Bi、Mg-Ca-Sn的测试方法 15

2.2.1 金相显微分析 15

2.2.2 X射线衍射（XRD）物相分析 15

2.2.3 差示扫描量热法（DSC）测定热物性参数 15

第三章 实验结果及分析 16

3.1微观组织及分析 16

3.1.1 XRD衍射分析 16

3.1.2 金相组织分析 18

3.2 热物性参数 20

3.3 Bi、Sn对Mg-Al、Mg-Cu、Mg-Ca合金组织与性能的影响 23

第四章 结论 24

参考文献 25

致谢 27

第一章 绪论

1.1前言

随着人类的生产活动不断加速，地球上的资源日益减少，环境日益恶化，因此，能源与环境问题已成为人类关注的焦点问题，新型能源和环保型能源的开发以及能源的充分利用逐渐成为企业乃至国家关注的重点。人们关注和开发的环保新型能源有风能、地热能、太阳能和潮汐能等^[1]。从资源损耗与储备来看，这些新型可再生能源可替换传统化石能源成为人类生产活动所需能耗的支柱。从发展环境友好型社会来看，这些新型可在生能源污染物排放量很少，与地球生态环境相协调。从解决人类实际需求来看，这些新型可再生能源可为发达国家提高能源整体利用率，而为许多贫困国家提供如供电量不足的帮助。

在上述新能源中，无论从储备量、普遍性、清洁性还是经济性上来看太阳能都具有一些很明显的优越性^[2]。太阳能存在情况非常普遍：相对于其它形式能源（如潮汐能、地热能、风能等）来说, 太阳能在地球上绝大部分区域广泛存在, 可就地取材。太阳能利用的清洁性：太阳能像风能、地热能、潮汐能等其他清洁能源一样，在能量的采集、转换等过程中产生的二次污染微乎其微。太阳能开发的经济性：根据当前的科技条件, 太阳能的开采具有可行性，伴随着科技的不断创新和不断更迭, 从长远角度看, 太阳能的开发利用将具有显著的经济适用性^[3]。