Cu含量對(duì)高溫相變材料Al-Cu合金熱特性的影響

崔富，袁艷平，趙君文,2，曹曉玲，孫亮亮

（1西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031；2西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610031）

Cu含量對(duì)高溫相變材料Al-Cu合金熱特性的影響

崔富1，袁艷平1，趙君文1,2，曹曉玲1，孫亮亮1

（1西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031；2西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610031）

高溫相變材料Al-Cu合金是蓄熱性能最好的太陽能儲(chǔ)存材料之一，而Cu含量對(duì)其熱特性影響的相關(guān)研究未見報(bào)道。采用差示掃描量熱法（DSC）和激光脈沖法（LFA）研究了Cu含量在7.4%～51.7%范圍內(nèi)的Al-Cu合金相變材料的相變溫度、相變潛熱、比熱容、熱擴(kuò)散系數(shù)和熱導(dǎo)率，并結(jié)合其金相組織對(duì)熱力學(xué)性能變化規(guī)律的內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，當(dāng)Cu含量在7.4%～51.7%范圍內(nèi)時(shí)，Al-Cu合金的相變溫度在524.4～645.9℃范圍內(nèi)；隨Cu含量的增加，Al-Cu合金的質(zhì)量潛熱呈遞減趨勢(shì)，而體積潛熱卻呈上升趨勢(shì)。Al-7.4%Cu在熔化和凝固過程具有最大的質(zhì)量潛熱，分別為339.6、343.5 kJ·kg?1。Al-51.7%Cu在熔化和凝固過程具有最大的體積潛熱，分別為1179、1143 MJ·m?3。當(dāng)Cu含量在7.4%～51.7%范圍內(nèi)時(shí)，Al-Cu合金的比熱容隨Cu含量的增加呈遞減趨勢(shì)；當(dāng)溫度在 25～500℃范圍內(nèi)時(shí)，Al-Cu合金的比熱容隨溫度升高呈遞增趨勢(shì)。Al-7.4%Cu的比熱容在25℃時(shí)為0.85 J·g?1·K?1，在500℃時(shí)達(dá)到最高值1.08 J·g?1·K?1。此外，Al-Cu合金的熱導(dǎo)率隨Cu含量的升高而降低，但即使Cu含量達(dá)到51.7%，其常溫下的熱導(dǎo)率仍然高達(dá)104 W·m?1·K?1。綜合研究結(jié)果表明，Al-Cu合金作為高溫相變材料具有在太陽能蓄熱領(lǐng)域中應(yīng)用的巨大潛力。

太陽能；相變；Al-Cu合金；潛熱蓄熱；比熱容；熱傳導(dǎo)

引 言

在解決全球變暖和實(shí)現(xiàn)人類可持續(xù)發(fā)展方面，可再生能源（特別是太陽能）的高效利用越來越多地被看作是一種極具前途的方式[1]。太陽能具有無污染、成本低、來源廣、無須運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)[2]，是人類社會(huì)最理想的能源形式之一。然而，太陽能在時(shí)間上的不連續(xù)性和強(qiáng)度上的不穩(wěn)定性影響了太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的效率。目前太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是靠高溫蓄熱系統(tǒng)來保證其在高溫和高效的狀態(tài)下連續(xù)運(yùn)行，從而獲得成本效益[3]。

相比于顯熱蓄熱，潛熱蓄熱具有儲(chǔ)能密度大、蓄放熱過程近似等溫等優(yōu)點(diǎn)[2,4-5]，越來越受到人們的重視。而高溫相變蓄熱材料的選擇及制備是高溫太陽能蓄熱系統(tǒng)的關(guān)鍵之一[6]。目前，對(duì)于高溫相變材料的研究以無機(jī)鹽為主[7]。無機(jī)鹽具有較高的儲(chǔ)能密度，以LiF(60)-40NaF為例，其相變潛熱值高達(dá)816 kJ·kg?1[8]。而大部分無機(jī)鹽的一個(gè)主要缺點(diǎn)是熱導(dǎo)率較低[9-14]，通常在1 W·m?1·K?1左右[9]，不僅延長了蓄放熱的周期，還需要采用增強(qiáng)導(dǎo)熱的技術(shù)，因而也增加了蓄熱系統(tǒng)的成本[7,11]。此外，無機(jī)鹽還具有腐蝕性強(qiáng)、體積變化大、過冷度大等缺點(diǎn)[9,11]。與無機(jī)鹽相比，金屬合金類相變材料雖然具有相對(duì)較小的儲(chǔ)能密度，但其具有熱導(dǎo)率高、體積變化小、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，表現(xiàn)出了較高的蓄熱潛力[12-13]，近年來受到廣泛關(guān)注和研究。其中，鋁基合金具有相變溫度適宜、腐蝕性較低、儲(chǔ)熱能力較好等優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)前研究最廣泛的金屬相變儲(chǔ)熱材料[14]。

作為相變儲(chǔ)能材料，相變溫度、相變潛熱、比熱容以及熱導(dǎo)率等熱特性參數(shù)對(duì)于工程應(yīng)用是非常關(guān)鍵的。已有研究顯示，Al-Cu合金在體積潛熱和熱傳導(dǎo)性能方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)[15-16]。Birchenall等[15]對(duì) Al-17.5%Cu的熔點(diǎn)、潛熱值進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和測(cè)試，還測(cè)試了Al-33.32%Cu的相變溫度、相變潛熱和比熱容，并分別估算了其在相變溫度時(shí)固態(tài)和液態(tài)的熱導(dǎo)率。Gasanaliev等[16]測(cè)試了Al-33.08%Cu的熔點(diǎn)、質(zhì)量潛熱和體積潛熱。上官玉輝等[17]對(duì)Cu含量在5%～40%的Al-Cu合金微觀組織和熔化過程的DSC曲線進(jìn)行了分析研究。鄭洪亮等[18]對(duì)原子分?jǐn)?shù)在5%～29%范圍內(nèi)的Al-Cu合金進(jìn)行了研究，僅分析了合金成分與凝固潛熱的相關(guān)性。程曉敏等[19]僅對(duì)3種不同成分的Al-Cu二元合金的凝固潛熱進(jìn)行了測(cè)試，并運(yùn)用 EET理論對(duì)Al-Cu二元合金價(jià)電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算。此外，不僅Cu有助于降低鋁合金液對(duì)鋼鐵容器的腐蝕能力，而且Cu生成的CuO氧化膜與γ-Al2O3同屬致密氧化膜，對(duì)鋁合金液的氧化具有保護(hù)作用[20-21]。Cu還是熱的良導(dǎo)體，對(duì)不同成分Al-Cu合金熱導(dǎo)率的研究有利于獲得導(dǎo)熱性能更好的相變材料。然而，目前針對(duì)Cu含量對(duì)Al-Cu合金熔化和凝固特性影響的研究還存在不足，不同 Cu含量 Al-Cu合金的比熱容、熱導(dǎo)率隨溫度變化的研究還未見報(bào)道。

為了研究Al-Cu合金的熱特性以及Cu含量變化對(duì)其產(chǎn)生的影響，主要針對(duì)不同Cu含量的Al-Cu合金的相變潛熱、相變溫度、比熱容、熱擴(kuò)散系數(shù)和熱導(dǎo)率進(jìn)行了研究，可為Al-Cu合金的工程應(yīng)用或者更加多元的合金化研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)與方法

1.1 材料的制備

根據(jù)Al-Cu二元合金相圖[22]（圖1），選擇最高平衡相變溫度在650℃以下的Al-Cu合金作為研究對(duì)象。材料制備以 Al（99.9%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）和 Cu（99.9%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為原材料，按照設(shè)計(jì)的質(zhì)量比例稱取后加入SG2-5-12型井式電阻爐中熔煉。為了保證合金的均勻性，在溫度為800℃時(shí)保溫5 h，澆入已經(jīng)提前預(yù)熱好的模具中，制成待測(cè)樣品。然后，將鑄好的合金在其熔點(diǎn)的90%左右的溫度條件下，進(jìn)行100 h的均勻化退火處理。最終，采用化學(xué)分析法確定各個(gè)試樣的實(shí)際成分。成分測(cè)試的結(jié)果顯示，所得樣品的實(shí)際質(zhì)量成分分別為Al-7.4%Cu、Al-21.0%Cu、Al-32.1%Cu、Al-40.9%Cu和Al-51.7%Cu。

圖1 Al-Cu合金二元相圖Fig.1 Al-Cu binary phase diagram

1.2 相變特性的測(cè)試

采用差示掃描量熱儀（NETZSCH DSC 404F3）對(duì)合金的熔化、凝固過程進(jìn)行量熱分析，以測(cè)試其熔化溫度、凝固溫度和相變潛熱。測(cè)試中，采用鉑坩堝；分別取樣15 mg左右；升溫及降溫速度均取10 K·min?1；采用高純度氬氣保護(hù)。通過對(duì) DSC曲線的計(jì)算分析，可獲得相變溫度、相變潛熱等信息。合金相變溫度取為起始溫度和終了溫度形成的溫度區(qū)間，分別通過畫出峰前沿和后沿的最大斜率并外推基線得到；合金的潛熱值，則通過對(duì)每一個(gè)峰的面積進(jìn)行數(shù)值積分計(jì)算得到。

1.3 熱導(dǎo)率的測(cè)試

熱導(dǎo)率采用非穩(wěn)態(tài)法測(cè)量，采用式(1)計(jì)算得到相變材料熱導(dǎo)率隨溫度的變化規(guī)律。

熱擴(kuò)散系數(shù)α在高純度氬氣條件下，采用激光導(dǎo)熱儀（NETZSCH LFA457）以10 K·min?1的升溫速率測(cè)量得到；密度ρ在25℃條件下，利用阿基米德原理進(jìn)行測(cè)量；比熱容cp在氬氣的保護(hù)下，采用DSC以10 K·min?1的升溫速率測(cè)量得到。

2 結(jié)果與討論

2.1 相變潛熱與相變溫度

通過測(cè)試，得到5種Al-Cu合金在熔化和凝固過程中的DSC曲線，如圖2所示。

圖2 不同Cu含量Al-Cu合金的DSC曲線Fig.2 DSC dependence of temperature of Al-Cu alloy with different Cu content

通過對(duì)DSC曲線的計(jì)算分析，得到5種Al-Cu合金的相變溫度和質(zhì)量潛熱；然后，采用阿基米德原理，測(cè)試得到各個(gè)配比的Al-Cu合金的密度；而將質(zhì)量潛熱與其密度相乘，可以得到合金的體積潛熱。對(duì)每個(gè)試樣進(jìn)行了2次的測(cè)試并對(duì)測(cè)量結(jié)果取平均值，將所得數(shù)據(jù)列于表1中。

從表1中的數(shù)據(jù)可看出，對(duì)于Al-Cu合金，Cu含量在7.4%～51.7%范圍內(nèi)時(shí)，Al-Cu合金的熔化溫度在 544.0～645.9℃范圍內(nèi)變化，凝固溫度則在524.4～634.0℃范圍內(nèi)變化。

而對(duì)于Al-Cu合金的潛熱，從圖3中可看出，一方面，隨Cu含量從7.4%增加到51.7%，Al-Cu合金熔化時(shí)的質(zhì)量潛熱值從 339.6 kJ·kg?1降低到295.5 kJ·kg?1；同時(shí)其凝固時(shí)的質(zhì)量潛熱值也從343.5 kJ·kg?1降低到了286.7 kJ·kg?1，呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。另一方面，隨Cu含量從7.4%增加到51.7%，Al-Cu合金的密度呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)，同時(shí)其熔化時(shí)的體積潛熱值從 972 MJ·m?3升高到了 1179 MJ·m?3，凝固時(shí)的單位體積潛熱值從983 MJ·m?3升高到了1143 MJ·m?3，呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)。

表1 相變特性參數(shù)測(cè)試匯總Table 1 Summary of phase change properties measurements

此外，在接近共晶的狀態(tài)下，Al-32.1%Cu在熔化和凝固過程的質(zhì)量、體積潛熱值分別為 315.9 kJ·kg?1、1106 MJ·m?3和 317.1 kJ·kg?1、1110 MJ·m?3。而對(duì)于Cu含量高達(dá)51.7%的Al-Cu合金，其相變溫度不超過615℃，體積潛熱卻接近1200 MJ·m?3，表現(xiàn)出極大的儲(chǔ)能優(yōu)勢(shì)。

文獻(xiàn)[16]報(bào)道的 Al-33.08%Cu的密度為 3.60 g·cm?3，與本研究所測(cè)Al-32.1%Cu數(shù)據(jù)相當(dāng)。此外，針對(duì)不同Cu含量的試樣進(jìn)行的兩次DSC測(cè)試結(jié)果的偏差均在±6%范圍內(nèi)。而文獻(xiàn)[15-17,19]報(bào)道的 Al-33.32%Cu、Al-33.08%Cu、Al-33.2%Cu、Al-32.1%Cu的潛熱分別為351、372、238.52、263.2 kJ·kg?1。本研究測(cè)試所得的Al-32.1%Cu在熔化和凝固過程中的潛熱分別為315.7和317.1 kJ·kg?1，在已有文獻(xiàn)報(bào)道的范圍內(nèi)。這些測(cè)試結(jié)果的差異可以歸因于原材料、實(shí)驗(yàn)條件、測(cè)試精度和加熱冷卻速率的差異[10]。而文獻(xiàn)[15-17,19]以及本研究測(cè)試的相變溫度是一致的。

2.2 熱導(dǎo)率

對(duì)于高溫蓄熱材料的應(yīng)用來說，熱導(dǎo)率是至關(guān)重要的因素。相變材料的熱導(dǎo)率可通過計(jì)算其密度、比熱容和熱擴(kuò)散系數(shù)的乘積得到。對(duì)每個(gè)試樣在各個(gè)溫度點(diǎn)的比熱容和熱擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行了3次測(cè)量，經(jīng)計(jì)算后取平均值得到對(duì)應(yīng)溫度點(diǎn)的熱導(dǎo)率。

圖3 Al-Cu合金潛熱值隨Cu含量的變化Fig.3 Latent heat dependence of Cu content

圖4 Cu含量不同的Al-Cu合金的比熱容隨溫度的變化Fig.4 Specific heat dependence of temperature of Al-Cu alloy with different Cu content

通過DSC測(cè)試（測(cè)試精度為±3%），得到Al-Cu合金的比熱容隨溫度的變化，如圖4所示。結(jié)果顯示，隨溫度由25℃升高至500℃，各個(gè)配比的Al-Cu合金材料的比熱容均呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)。此外，隨 Cu含量從7.4%增加到51.7%，Al-Cu合金的比熱容隨之降低。這是因常溫條件下純 Cu的比熱容（385 J·kg?1·K?1）小于純 Al的比熱容（900 J·kg?1·K?1）。Al-7.4%Cu的比熱容在 25℃時(shí)為0.85 J·g?1·K?1，在500℃達(dá)到最高值1.08 J·g?1·K?1。

不同Cu含量的Al-Cu合金的熱擴(kuò)散系數(shù)隨溫度的變化關(guān)系如圖5所示。一方面，隨Cu含量從7.4%增加到 51.7%，Al-Cu合金的熱擴(kuò)散系數(shù)呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。在25℃時(shí)，Al-Cu合金的熱擴(kuò)散系數(shù)由Al-7.4%Cu的65.5 mm2·s?1降低到Al-51.7%Cu的42.3 mm2·s?1；在500℃時(shí)，Al-Cu的熱擴(kuò)散系數(shù)由 Al-7.4%Cu的 60.2 mm2·s?1降低到Al-51.7%Cu的38.2 mm2·s?1。

圖5 不同Cu含量Al-Cu合金的熱擴(kuò)散系數(shù)隨溫度的變化Fig.5 Thermal diffusivity dependence of temperature of Al-Cu alloy with different Cu content

另一方面，隨溫度由 25℃升高到 500℃，Al-21.0%Cu、 Al-32.1%Cu、 Al-40.9%Cu 和Al-51.7%Cu的熱擴(kuò)散系數(shù)呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，且降低的幅度隨Cu含量的增加由21.2%減小到9.7%。而Al-7.4%Cu的熱擴(kuò)散系數(shù)在 25～500℃范圍內(nèi)有一個(gè)明顯的先增加后降低的趨勢(shì)，且在 25～343℃有2.8%的增幅，在343～500℃有10.5%的降幅。值得注意的是，本研究采用的LFA測(cè)試Al-Cu合金熱擴(kuò)散系數(shù)的精度為±2%。

對(duì)3次測(cè)量所得數(shù)據(jù)分別進(jìn)行計(jì)算得到Al-Cu合金的熱導(dǎo)率并取平均值，得到熱導(dǎo)率隨溫度的變化關(guān)系，如圖6所示。而不同Cu含量試樣熱導(dǎo)率的3次測(cè)量值與平均值的偏差均在±1.3%范圍內(nèi)，考慮到儀器精度、材料氧化等因素，認(rèn)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較好的可重復(fù)性。隨溫度從25℃升高到500℃，各個(gè)配比的Al-Cu合金的熱導(dǎo)率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。當(dāng)Cu含量超過21.0%時(shí)，熱導(dǎo)率在25～500℃范圍內(nèi)隨溫度變化不大，趨于穩(wěn)定。此外，隨Cu含量從7.4%增加到51.7%，Al-Cu合金的熱導(dǎo)率呈遞減的趨勢(shì)。其中，Al-7.4%Cu在25℃時(shí)的熱導(dǎo)率為 164 W·m?1·K?1，在 423℃時(shí)達(dá)到 199 W·m?1·K?1，而后在502℃時(shí)降到192 W·m?1·K?1；熱導(dǎo)率較低的 Al-51.7%Cu在 25℃時(shí)的熱導(dǎo)率為104 W·m?1·K?1，在423℃時(shí)達(dá)到115 W·m?1·K?1，而后在 502℃時(shí)降到 114 W·m?1·K?1。文獻(xiàn)[15]估算了Al-33.32%Cu在相變溫度（547.85℃）條件下固態(tài)的熱導(dǎo)率的理論值為130 W·m?1·K?1，而本研究實(shí)測(cè)的 Al-32.1%Cu在 502℃時(shí)的熱導(dǎo)率為149.1 W·m?1·K?1，兩者在一定程度上較為接近。

圖6 Cu含量不同的Al-Cu合金的熱導(dǎo)率隨溫度的變化Fig.6 Thermal conductivity dependence of temperature of Al-Cu alloy with different Cu content

Al-Cu合金的熱導(dǎo)率不僅遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大多數(shù)作為相變材料的無機(jī)鹽（約為1 W·m?1·K?1[9]），甚至高于一些合金類相變材料。例如Al-Cu合金的熱導(dǎo)率高于具有相同合金元素配比的Al-Si儲(chǔ)能合金[10]；而Mg-51%Zn的熱導(dǎo)率在25℃時(shí)為67 W·m?1·K?1，在 300℃僅升至 75 W·m?1·K?1[13]，也低于Al-51.7%Cu的熱導(dǎo)率。Al-Cu合金的高導(dǎo)熱特性有利于其作為相變蓄熱材料時(shí)快速的儲(chǔ)存和釋放熱量。

從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，Al-Cu合金的導(dǎo)熱能力小于純Al和純Cu的導(dǎo)熱能力。其原因在于Al-Cu合金不是Al元素和Cu元素的簡單混合。從Al-Cu二元合金相圖（圖1）可看出，Cu元素加入Al基體中后，一部分與Al形成固溶體，Cu質(zhì)量含量超過一定量后（最多5.65%），Al和Cu形成Al2Cu合金相，該合金相的導(dǎo)熱能力比Al固溶體差。隨Cu含量的增加，該合金相比例增多，故合金導(dǎo)熱能力隨Cu含量的增加而降低。當(dāng)Cu含量超過共晶點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Cu含量后，合金組織中出現(xiàn)粗大的初生Al2Cu相，粗大的合金相更大地削弱了基體的導(dǎo)熱能力，因此在共晶點(diǎn)之后Al-Cu合金的熱導(dǎo)率出現(xiàn)突降。

對(duì)于Al-Cu合金在25、500℃時(shí)的熱導(dǎo)率隨Cu含量的變化關(guān)系分別進(jìn)行擬合，如圖7所示。

圖7 Al-Cu合金熱導(dǎo)率與Cu含量的關(guān)系Fig.7 Relationship between Cu content and thermal conductivity of Al-Cu alloy

式(2)和式(3)分別給出了 25、500℃時(shí)，Al-Cu合金的熱導(dǎo)率與Cu含量關(guān)系的擬合函數(shù)及擬合度。

溫度為25℃時(shí)

溫度為500℃時(shí)

3 結(jié) 論

研究了Cu含量對(duì)Al-Cu合金作為高溫相變蓄熱材料的熱特性的影響。結(jié)果顯示，Al-Cu合金具有較高的潛熱值，且體積潛熱優(yōu)勢(shì)明顯。隨Cu含量在7.4%～51.7%范圍內(nèi)增加，Al-Cu合金熔化、凝固時(shí)的質(zhì)量潛熱值分別從 339.6 kJ·kg?1降低到295.5 kJ·kg?1、從 343.5 kJ·kg?1降低到了 286.7 kJ·kg?1，呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)；而熔化、凝固時(shí)的體積潛熱值卻分別從 972 MJ·m?3升高到了 1179 MJ·m?3，從983 MJ·m?3升高到了1143 MJ·m?3，呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)。Al-51.7%Cu具有最大的體積潛熱，非常具有競(jìng)爭力。

Al-Cu合金具有極佳的導(dǎo)熱能力，有利于蓄熱系統(tǒng)快速的儲(chǔ)存和釋放熱量。隨Cu含量在7.4%～ 51.7%范圍內(nèi)增加，Al-Cu合金的熱導(dǎo)率呈遞減趨勢(shì)。此外，在25～500℃的溫度范圍內(nèi)，Al-Cu合金的熱導(dǎo)率隨溫度先增加后降低。Al-7.4%Cu的熱導(dǎo)率在423℃時(shí)的最高值達(dá)到199 W·m?1·K?1，而Al-51.7%Cu熱導(dǎo)率在25℃時(shí)的最低值仍然高達(dá)104 W·m?1·K?1。

對(duì)Al-Cu合金在25、500℃時(shí)的熱導(dǎo)率λ隨Cu質(zhì)量含量(c%)的變化關(guān)系分別進(jìn)行擬合，得到擬合函數(shù)及擬合度[式（2）、式（3）]。

符 號(hào) 說 明

c——Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

cp——比熱容，J·g?1·K?1

ΔHm——單位質(zhì)量潛熱值，kJ·kg?1

ΔHv——單位體積潛熱值，MJ·m?3

R2——擬合度

TM——熔化溫度，℃

TS——凝固溫度，℃

α ——熱擴(kuò)散系數(shù)，mm2·s?1

λ——熱導(dǎo)率，W·m?1·K?1

ρ——密度，g·cm?3

下角標(biāo)

M——熔化

m——單位質(zhì)量

S——凝固

v——單位體積

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Influence of Cu content on thermal characteristics of high-temperature phase change material Al-Cu alloy

CUI Fu1, YUAN Yanping1, ZHAO Junwen1,2, CAO Xiaoling1, SUN Liangliang1
(1School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, Sichuan, China;2School of Materials Science and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, Sichuan, China)

High-temperature phase change material (PCM) Al-Cu alloy is one kind of solar thermal energy storage material which has the best heat storage characteristics, but the study about influence of Cu content on its thermal characteristics has not yet been reported. The thermal characteristics of Al-Cu alloy with Cu content of 7.4%－51.7% including phase change temperature, phase change latent heat, specific heat, thermal diffusivity and thermal conductivity are investigated by differential scanning calorimetry (DSC) and laser flash apparatus (LFA). The internal mechanism of Al-Cu alloy thermophysical properties is also analyzed from the perspective of metallurgical structure. The results indicate that when Cu content is in the range of 7.4%－51.7%, the phase transition temperature of Al-Cu alloy is within 524.4℃ to 645.9℃. With the growth of Cu content, the mass latent heat of Al-Cu alloy decreases and the volume latent heat increases. Al-7.4% Cu has the maximum melting/freezingmass latent heat, which are 339.6 and 343.5 kJ·kg?1respectively. Al-51.7% Cu has the maximum melting/freezing volumetric latent heat with 1179 and 1143 MJ·m?3, respectively. When the temperature rises from 25℃ to 500℃, the specific heat of Al-Cu alloy keeps increasing. On the other hand, when Cu content rising from 7.4% to 51.7%, the specific heat of Al-Cu alloy decreases. The specific heat of Al-7.4% Cu is 0.85 J·g?1·K?1at 25℃ and reaches the maximum 1.08 J·g?1·K?1at 500℃. Besides, the thermal conductivity of Al-Cu alloy decreases with the increase of Cu content, but its thermal conductivity is still as high as 104 W·m?1·K?1even if Cu content reaches 51.7%. The results reveal that Al-Cu alloy, as high-temperature phase change material, has great potential of application in the field of solar thermal energy storage.

solar energy; phase change; Al-Cu alloy; latent heat energy storage; specific heat; heat conduction

Prof. YUAN Yanping, ypyuan@home.swjtu. edu.cn

TK 512+.4

：A

：0438—1157（2017）01—0112—07

10.11949/j.issn.0438-1157.20160849

2016-06-24收到初稿，2016-09-19收到修改稿。

聯(lián)系人：袁艷平。

：崔富（1992—），男，碩士研究生。

建筑環(huán)境與能源高效利用四川省青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（2015TD0015）。

Received date: 2016-06-24.

Foundation item: supported by the Sichuan Province Youth Science and Technology Innovation Team of Building Environment and Energy Efficiency (2015TD0015).