我國工業(yè)能耗超過全社會能耗的70%，其中鋼鐵、有色等過程工業(yè)的單位產(chǎn)品能耗平均比世界先進水平高47%，工業(yè)余熱利用率低是造成高能耗的重要原因。多數(shù)工業(yè)余熱資源均具有間歇性和非穩(wěn)態(tài)的特點，容易造成能量供需在時間和空間上不匹配的問題，回收利用困難。同樣的問題也存在太陽能熱利用領域。因此儲熱技術成為工業(yè)余熱大規(guī)模回收利用和太陽能熱利用的關鍵。相變儲熱具有儲熱密度高、相變溫度恒定、相變前后體積變化小等優(yōu)點，是非常有應用前景的儲熱材料。目前工業(yè)余熱回收和太陽能聚光式熱發(fā)電都迫切需要開發(fā)800℃以上的高溫相變材料。現(xiàn)階段高溫相變材料體系主要包括熔鹽和金屬，金屬的熱導率高（是熔鹽熱導率的上百倍）、儲熱密度和熔鹽相當，是高溫相變材料的優(yōu)選。但和熔鹽一樣，金屬在熔融狀態(tài)時也具有腐蝕性，怎樣對其進行封裝一直是一個難題。
中國科學院過程工程研究所濕法冶金清潔生產(chǎn)技術國家工程實驗室的冶金資源與材料課題組針對這一關鍵問題進行攻關。他們選用高熱導、高熔點的純Cu作為儲熱介質(zhì)，首先設計了Ni-Cr雙層包覆金屬Cu球的膠囊結構，中間的Cr層與Cu互溶度極小，可阻止高溫下液態(tài)Cu的擴散；最外的Ni層具有抗氧化作用。接著，針對Cr層難沉積、電鍍過程易鈍化的難題，提出了間歇式電沉積方法，設計了新型鍍Cr裝置，實現(xiàn)了Cu球上超厚Cr層的高質(zhì)量沉積，該技術及裝置已申請發(fā)明專利兩項（一種高溫金屬相變儲熱材料及制備方法，201310233659.7；一種周期間歇式滾鍍硬鉻裝置及使用方法，201310233646.X）。最終獲得的Ni-Cr包覆Cu相變膠囊的相變溫度為1077℃；在1050～1150℃之間熱循環(huán)1000次之后，仍然保持完好，沒有發(fā)生泄漏和破裂，是目前報道熱循環(huán)性能最好的金屬相變膠囊。而且制備技術簡單，易于規(guī)�；a(chǎn)。相關成果發(fā)表在Solar Energy Materials & Solar Cells期刊上（Guocai Zhang, Jianqiang Li, et al. 2014, 128, 131-137, 論文鏈接)，審稿人高度評價該工作的創(chuàng)新性。
在此基礎上，課題組近期再次進行創(chuàng)新。利用Fe-Cu難混溶合金體系的液-液相分離現(xiàn)象，采用課題組特色的無容器氣動懸浮技術，使富Fe相和富Cu相在Marangoni對流、Stokes沉積等效應協(xié)同作用下自發(fā)形成核殼結構，制備出外層Fe包覆Cu的金屬相變儲熱膠囊。同時，通過控制氧分壓，使外層Fe原位部分氧化形成氧化層，進一步增強了金屬膠囊的耐磨性和實用性。相關成果發(fā)表在Applied Energy 期刊上（Bingqian Ma, Jianqiang Li, et al. 2014, 132, 568-574, 論文鏈接）后，很快引起國內(nèi)外同行的關注，CSIRO、南澳大利亞大學、新加坡UTD的多位學者表示濃厚興趣，愿意共同推進該類材料在太陽能熱利用和工業(yè)余熱方面的應用。
以上研究工作受國家自然科學基金（NO. 50704031, 51274182）、國家科技支撐計劃（NO. 2012BAA03B03）和和北京自然基金（NO.2112039）資助。
間歇式電沉積方法制備的鎳-鉻/銅相變儲熱膠囊和熱循環(huán)后的斷面形貌
