基本信息
- 項目名稱：
- 高性能金屬纖維氈在新能源領域中的應用研究
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 面對嚴峻的能源危機，世界各國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，采用固相燒結方法形成一種具有三維網(wǎng)狀的金屬纖維骨架結構和全連通孔隙結構特征的金屬纖維氈，與同類產品相比，具有高精度全連通的孔徑、孔隙率高、比表面積大的結構特點。并成功共應用于制氫微反應器催化劑載體板、甲醇燃料電池雙極板、微熱管吸液芯等新能源領域，并取得良好的效果。
- 詳細介紹：
- 嚴峻的能源危機和環(huán)境污染問題已成為制約全球經濟發(fā)展的關鍵，開發(fā)使用可再生、清潔環(huán)保的新能源是未來社會發(fā)展的必然趨勢。因此，積極開發(fā)體積小，能量密度高的新能源裝備及關鍵元件，成為當前新能源開發(fā)與利用領域中急需解決的關鍵問題。本研究小組利用切削法加工的金屬纖維為原料，采用固相燒結方法形成一種具有三維網(wǎng)狀的金屬纖維骨架結構和全連通孔隙結構特征的金屬纖維氈，與同類產品相比，具有高精度全連通的孔徑、孔隙率高、比表面積大的結構特點。將該種金屬纖維氈應用在制氫微反應器催化劑載體板、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，實現(xiàn)能源的高效利用。本作品具有如下特點和優(yōu)勢：(1) 采用多齒切削法加工金屬纖維，纖維當量直徑可達35μm，纖維表面具有豐富的多/微尺度表面結構。(2) 設計一種可調性的模壓裝置，實現(xiàn)從功能需求主動設計金屬纖維氈結構參數(shù)。(3) 金屬纖維氈可以在較低的溫度和較短的時間下實現(xiàn)燒結成形。(4) 將金屬纖維氈用于燃料電池雙極板，制氫微反應器催化劑載體板，微熱管吸液芯可顯著提高相關產品性能。本作品發(fā)明的金屬纖維氈將在航空航天、冶金機械、電子通訊、能源環(huán)保、國防軍工等領域有著廣泛應用前景。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 目的： 針對目前日益嚴峻的能源危機和環(huán)境污染問題，開發(fā)體積小，能量密度高的新能源裝備及關鍵元件，解決當前新能源開發(fā)與利用領域中的關鍵問題。 基本思路： 采用大刃傾角多齒刀具加工獲得連續(xù)型微細金屬纖維，并以金屬纖維為原料通過固相燒結技術制成金屬纖維氈。將其應用于制氫微反應器，燃料電池領域。 創(chuàng)新點： (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構的特征。 (2) 將金屬纖維燒結或者激光加工而形成具有高孔率大孔徑結構特點的金屬纖維氈，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，制氫微反應器以及微熱管的等方面的應用，為多孔金屬在新能源領域的應用提供有價值的參考。 技術關鍵和主要技術指標： （1）采用多齒切削法加工出表面具有粗糙茸狀結構的金屬纖維。纖維的當量直徑為50μm~100μm，纖維表面具有豐富的微/納尺度結構。 （2）金屬纖維氈的燒結成形。設計一種薄片層疊式模壓裝置，實現(xiàn)纖維氈的外形尺寸和結構參數(shù)的主動控制。在700-1000℃燒結30 min-90min實現(xiàn)金屬纖維的燒結形成。纖維氈具有高孔隙率，大孔徑，全連通孔結構和大比表面積的結構特點。 （3）金屬纖維氈用作直接甲醇燃料電池中的流場板?？商岣唠p極板的傳熱傳質性能，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器的催化劑載體板。提高載體板與催化劑的親和性和負載強度，提高甲醇轉化率和氫氣選擇性。
科學性、先進性
- （1）金屬纖維加工。采用多齒切削法加工金屬纖維，纖維當量直徑可達35μm，纖維具有多/微尺度的粗糙異型結構的特征，將單刃切削發(fā)展到多刃切削，大幅提高生產效率。 （2）金屬纖維氈的制備。具有表面微結構的金屬纖維可以在較低的燒結溫度和較短的燒結時間下實現(xiàn)金屬纖維氈的燒結成形。 （3）金屬纖維氈的結構特點。金屬纖維氈具有三維網(wǎng)狀多孔結構、高精度全連通的孔徑、孔隙率高、比表面積大的結構特點，有效克服了多孔有機高分子材料強度低且不耐高溫，多孔陶瓷質脆且不抗熱震，金屬網(wǎng)易堵易破，粉末燒結易碎、流量小，濾紙濾布不耐溫、耐壓等缺點。 （4）金屬纖維燒結氈的應用。 ①金屬纖維燒結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，可提高單位反應體積下催化劑附著量，提高反應器的供氫量，并且提高催化劑的附著能力。
獲獎情況及鑒定結果
- 無
作品所處階段
- 實驗室階段
技術轉讓方式
- 專利權轉讓
作品可展示的形式
- 實物、產品、圖紙、現(xiàn)場演示、圖片、錄像、樣品
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 應用領域： 金屬纖維氈已經或者潛在的應用領域主要包括過濾與分離，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域。 （1）過濾與分離領域，可以被廣泛的應用在化纖、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濾器件。 （2）化工領域，可以用作催化劑及其載體，也可用于熱交換器中。 （3）能源材料領域，如：電池電極材料等。 （4）微電子制造應用領域，可以作為熱管的吸液芯材料。 市場分析和經濟效益預測 由于金屬纖維及燒結氈的制造技術難度大、工藝復雜，目前世界上只有比利時的Bekaert公司、美國的Pall, Mott公司，日本的金線公司等可以批量生產金屬纖維燒結氈。據(jù)統(tǒng)計，我國燒結金屬多孔濾材的年需求量大約5億人民幣，隨著新型應用領域的不斷增加，多孔金屬材料的需求將會進一步擴大，因此新型多孔金屬纖維燒結氈的開發(fā)和研究,不僅僅有助于提高多孔金屬燒結氈的制造水平,而且對于加快多孔金屬及其相關產品在我國實現(xiàn)產業(yè)化水平具有非常重要的現(xiàn)實意義。
同類課題研究水平概述
- 金屬纖維加工國內外研究進展： 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。德國制造工程與應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用在過濾與分離領域中的關鍵組件。英國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現(xiàn)了商品化，并與英國劍橋大學在纖維制品的應用技術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率，降低了成本。國際上著名的生產廠商主要有比利時貝卡爾特公司、美國頗爾公司和日本精線公司。中國西北有色金屬研究院和長沙礦冶研究院展開對拉拔金屬纖維技術的攻關并取得重大突破，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在拉拔法生產金屬纖維的關鍵技術和規(guī)模化，產品化方面走進世界的先進行列。 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。華南理工大學近年來針對連續(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。美國中佛羅里達大學和愛爾蘭利莫瑞克大學的研究者則利用激光無模拉拔技術在氣氛保護環(huán)境下制造出微細金屬纖維，并系統(tǒng)研究了鎳纖維商業(yè)化的生產工藝。 金屬纖維氈的制造技術國內外研究進展： 固相燒結技術 固相燒結技術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形成最終產品，在整個燒結過程中沒有液相產生。德國IFAM研究所利用坩堝熔融抽絲法加工的金屬纖維為原料，燒結出具有全連通孔徑結構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和燒結技術成功開發(fā)出不銹鋼纖維燒結氈，實現(xiàn)了不銹鋼纖維燒結氈的規(guī)?；a。 液相燒結技術 與固相燒結技術相比，液相燒結技術是指采用一些工藝方法向金屬纖維中添加一個低熔點的組分，然后制成混合物壓坯后燒結，由于該組分在燒結過程中能夠產生液相，從而實現(xiàn)低溫和短時間條件下纖維的冶金結合。德國IFAM研究所利用液相燒結技術制造了一種多孔鋁纖維燒結板。
