題-1_100_100.jpg)
基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 高性能金屬纖維氈在新能源領(lǐng)域中的應(yīng)用研究
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 面對(duì)嚴(yán)峻的能源危機(jī)，世界各國(guó)都在積極尋找可再生、清潔環(huán)保的新能源。本研究小組利用切削法加工的金屬纖維為原料，采用固相燒結(jié)方法形成一種具有三維網(wǎng)狀的金屬纖維骨架結(jié)構(gòu)和全連通孔隙結(jié)構(gòu)特征的金屬纖維氈，與同類產(chǎn)品相比，具有高精度全連通的孔徑、孔隙率高、比表面積大的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。并成功共應(yīng)用于制氫微反應(yīng)器催化劑載體板、甲醇燃料電池雙極板、微熱管吸液芯等新能源領(lǐng)域，并取得良好的效果。
- 詳細(xì)介紹：
- 嚴(yán)峻的能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題已成為制約全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵，開發(fā)使用可再生、清潔環(huán)保的新能源是未來(lái)社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。因此，積極開發(fā)體積小，能量密度高的新能源裝備及關(guān)鍵元件，成為當(dāng)前新能源開發(fā)與利用領(lǐng)域中急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。本研究小組利用切削法加工的金屬纖維為原料，采用固相燒結(jié)方法形成一種具有三維網(wǎng)狀的金屬纖維骨架結(jié)構(gòu)和全連通孔隙結(jié)構(gòu)特征的金屬纖維氈，與同類產(chǎn)品相比，具有高精度全連通的孔徑、孔隙率高、比表面積大的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。將該種金屬纖維氈應(yīng)用在制氫微反應(yīng)器催化劑載體板、直接甲醇燃料電池雙極板、微熱管吸液芯，開發(fā)具有高能量密度的新能源裝置，實(shí)現(xiàn)能源的高效利用。本作品具有如下特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：(1) 采用多齒切削法加工金屬纖維，纖維當(dāng)量直徑可達(dá)35μm，纖維表面具有豐富的多/微尺度表面結(jié)構(gòu)。(2) 設(shè)計(jì)一種可調(diào)性的模壓裝置，實(shí)現(xiàn)從功能需求主動(dòng)設(shè)計(jì)金屬纖維氈結(jié)構(gòu)參數(shù)。(3) 金屬纖維氈可以在較低的溫度和較短的時(shí)間下實(shí)現(xiàn)燒結(jié)成形。(4) 將金屬纖維氈用于燃料電池雙極板，制氫微反應(yīng)器催化劑載體板，微熱管吸液芯可顯著提高相關(guān)產(chǎn)品性能。本作品發(fā)明的金屬纖維氈將在航空航天、冶金機(jī)械、電子通訊、能源環(huán)保、國(guó)防軍工等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 目的： 針對(duì)目前日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題，開發(fā)體積小，能量密度高的新能源裝備及關(guān)鍵元件，解決當(dāng)前新能源開發(fā)與利用領(lǐng)域中的關(guān)鍵問(wèn)題。 基本思路： 采用大刃傾角多齒刀具加工獲得連續(xù)型微細(xì)金屬纖維，并以金屬纖維為原料通過(guò)固相燒結(jié)技術(shù)制成金屬纖維氈。將其應(yīng)用于制氫微反應(yīng)器，燃料電池領(lǐng)域。 創(chuàng)新點(diǎn)： (1) 采用多齒切削法加工金屬纖維。纖維表面具有豐富的多/微尺度的粗糙異型結(jié)構(gòu)的特征。 (2) 將金屬纖維燒結(jié)或者激光加工而形成具有高孔率大孔徑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的金屬纖維氈，此方法是一種新的成形方法。 (3) 研究金屬纖維氈作為燃料電池，制氫微反應(yīng)器以及微熱管的等方面的應(yīng)用，為多孔金屬在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用提供有價(jià)值的參考。 技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)： （1）采用多齒切削法加工出表面具有粗糙茸狀結(jié)構(gòu)的金屬纖維。纖維的當(dāng)量直徑為50μm~100μm，纖維表面具有豐富的微/納尺度結(jié)構(gòu)。 （2）金屬纖維氈的燒結(jié)成形。設(shè)計(jì)一種薄片層疊式模壓裝置，實(shí)現(xiàn)纖維氈的外形尺寸和結(jié)構(gòu)參數(shù)的主動(dòng)控制。在700-1000℃燒結(jié)30 min-90min實(shí)現(xiàn)金屬纖維的燒結(jié)形成。纖維氈具有高孔隙率，大孔徑，全連通孔結(jié)構(gòu)和大比表面積的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。 （3）金屬纖維氈用作直接甲醇燃料電池中的流場(chǎng)板。可提高雙極板的傳熱傳質(zhì)性能，降低雙極板的制造成本。 （4）金屬纖維氈用作甲醇水蒸汽重整制氫微反應(yīng)器的催化劑載體板。提高載體板與催化劑的親和性和負(fù)載強(qiáng)度，提高甲醇轉(zhuǎn)化率和氫氣選擇性。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- （1）金屬纖維加工。采用多齒切削法加工金屬纖維，纖維當(dāng)量直徑可達(dá)35μm，纖維具有多/微尺度的粗糙異型結(jié)構(gòu)的特征，將單刃切削發(fā)展到多刃切削，大幅提高生產(chǎn)效率。 （2）金屬纖維氈的制備。具有表面微結(jié)構(gòu)的金屬纖維可以在較低的燒結(jié)溫度和較短的燒結(jié)時(shí)間下實(shí)現(xiàn)金屬纖維氈的燒結(jié)成形。 （3）金屬纖維氈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。金屬纖維氈具有三維網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)、高精度全連通的孔徑、孔隙率高、比表面積大的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，有效克服了多孔有機(jī)高分子材料強(qiáng)度低且不耐高溫，多孔陶瓷質(zhì)脆且不抗熱震，金屬網(wǎng)易堵易破，粉末燒結(jié)易碎、流量小，濾紙濾布不耐溫、耐壓等缺點(diǎn)。 （4）金屬纖維燒結(jié)氈的應(yīng)用。 ①金屬纖維燒結(jié)氈用于直接甲醇燃料電池雙極板，可以保證甲醇水溶液均勻分布，保證電流密度分布均勻，防止局部過(guò)熱，提高輸出效率，降低DMFC的制造成本。 ②金屬纖維氈用于催化劑載體板，可提高單位反應(yīng)體積下催化劑附著量，提高反應(yīng)器的供氫量，并且提高催化劑的附著能力。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 無(wú)
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 專利權(quán)轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品、圖紙、現(xiàn)場(chǎng)演示、圖片、錄像、樣品
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 應(yīng)用領(lǐng)域： 金屬纖維氈已經(jīng)或者潛在的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括過(guò)濾與分離，催化劑載體，電極材料，吸音材料，電磁屏蔽，能量吸收，換熱元件和冷卻材料等領(lǐng)域。 （1）過(guò)濾與分離領(lǐng)域，可以被廣泛的應(yīng)用在化纖、聚酯薄膜、石油和液壓元件中，還可以用作汽車安全氣囊的過(guò)濾器件。 （2）化工領(lǐng)域，可以用作催化劑及其載體，也可用于熱交換器中。 （3）能源材料領(lǐng)域，如：電池電極材料等。 （4）微電子制造應(yīng)用領(lǐng)域，可以作為熱管的吸液芯材料。 市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè) 由于金屬纖維及燒結(jié)氈的制造技術(shù)難度大、工藝復(fù)雜，目前世界上只有比利時(shí)的Bekaert公司、美國(guó)的Pall, Mott公司，日本的金線公司等可以批量生產(chǎn)金屬纖維燒結(jié)氈。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)燒結(jié)金屬多孔濾材的年需求量大約5億人民幣，隨著新型應(yīng)用領(lǐng)域的不斷增加，多孔金屬材料的需求將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，因此新型多孔金屬纖維燒結(jié)氈的開發(fā)和研究,不僅僅有助于提高多孔金屬燒結(jié)氈的制造水平,而且對(duì)于加快多孔金屬及其相關(guān)產(chǎn)品在我國(guó)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化水平具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。
同類課題研究水平概述
- 金屬纖維加工國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展： 熔抽法 熔抽法的基本原理是將金屬加熱到熔融狀態(tài)，再通過(guò)一定的裝置將熔融金屬液體噴射或甩出后冷卻而形成金屬纖維。德國(guó)制造工程與應(yīng)用材料研究所利用坩堝熔融抽絲法加工的金屬合金纖維成功應(yīng)用在過(guò)濾與分離領(lǐng)域中的關(guān)鍵組件。英國(guó)纖維科技有限公司在利用熔抽法制備不銹鋼纖維及其制品方面實(shí)現(xiàn)了商品化，并與英國(guó)劍橋大學(xué)在纖維制品的應(yīng)用技術(shù)方面展開了一系列的研究合作。 拉拔法 拉拔法可以分為單根拉拔法和集束拉拔法兩種。集束拉拔法較單根拉拔法相比提高了生產(chǎn)率，降低了成本。國(guó)際上著名的生產(chǎn)廠商主要有比利時(shí)貝卡爾特公司、美國(guó)頗爾公司和日本精線公司。中國(guó)西北有色金屬研究院和長(zhǎng)沙礦冶研究院展開對(duì)拉拔金屬纖維技術(shù)的攻關(guān)并取得重大突破，西部金屬材料股份有限公司和湖南惠同股份有限公司已經(jīng)在拉拔法生產(chǎn)金屬纖維的關(guān)鍵技術(shù)和規(guī)模化，產(chǎn)品化方面走進(jìn)世界的先進(jìn)行列。 切削法 切削法是目前使用較為廣泛的金屬纖維制造方法之一，制造的金屬纖維產(chǎn)品種類齊全，適用面廣。切削法按切削方式不同又可分為銑削法、刮削法、剪切法、車削法等。華南理工大學(xué)近年來(lái)針對(duì)連續(xù)型金屬纖維的制造方法開展了系列的研究工作，先后成功開發(fā)了微鋸-拉屑成形法和多齒切削法。美國(guó)中佛羅里達(dá)大學(xué)和愛(ài)爾蘭利莫瑞克大學(xué)的研究者則利用激光無(wú)模拉拔技術(shù)在氣氛保護(hù)環(huán)境下制造出微細(xì)金屬纖維，并系統(tǒng)研究了鎳?yán)w維商業(yè)化的生產(chǎn)工藝。 金屬纖維氈的制造技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展： 固相燒結(jié)技術(shù) 固相燒結(jié)技術(shù)是指利用成型方法將金屬纖維制得一定形狀和尺寸的壓坯后，在一定的氣氛環(huán)境和工藝條件下直接燒結(jié)形成最終產(chǎn)品，在整個(gè)燒結(jié)過(guò)程中沒(méi)有液相產(chǎn)生。德國(guó)IFAM研究所利用坩堝熔融抽絲法加工的金屬纖維為原料，燒結(jié)出具有全連通孔徑結(jié)構(gòu)特征和不同外觀形狀（平板型，圓柱和圓環(huán)等）的高孔率（70~95 %）的多孔金屬纖維燒結(jié)氈。西北有色金屬研究院采用集束拉拔法加工不銹鋼纖維，并利用氣流成氈技術(shù)和燒結(jié)技術(shù)成功開發(fā)出不銹鋼纖維燒結(jié)氈，實(shí)現(xiàn)了不銹鋼纖維燒結(jié)氈的規(guī)?；a(chǎn)。 液相燒結(jié)技術(shù) 與固相燒結(jié)技術(shù)相比，液相燒結(jié)技術(shù)是指采用一些工藝方法向金屬纖維中添加一個(gè)低熔點(diǎn)的組分，然后制成混合物壓坯后燒結(jié)，由于該組分在燒結(jié)過(guò)程中能夠產(chǎn)生液相，從而實(shí)現(xiàn)低溫和短時(shí)間條件下纖維的冶金結(jié)合。德國(guó)IFAM研究所利用液相燒結(jié)技術(shù)制造了一種多孔鋁纖維燒結(jié)板。
