崔富，袁艷平，趙君文,2，曹曉玲，孫亮亮

（1西南交通大學機械工程學院，四川 成都 610031；2西南交通大學材料科學與工程學院，四川 成都 610031）

Cu含量對高溫相變材料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西南交通大學機械工程學院，四川 成都 610031；2西南交通大學材料科學與工程學院，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存材料之一，而Cu含量對其熱特性影響的相關(guān)研究未見報道。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、熱擴散系數(shù)和熱導(dǎo)率，并結(jié)合其金相組織對熱力學性能變化規(guī)律的內(nèi)在機理進行了分析。結(jié)果顯示，當Cu含量在7.4%～51.7%范圍內(nèi)時，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，而體積潛熱卻呈上升趨勢。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Cu含量在7.4%～51.7%范圍內(nèi)時，Al-Cu合金的比熱容隨Cu含量的增加呈遞減趨勢；當溫度在 25～500℃范圍內(nèi)時，Al-Cu合金的比熱容隨溫度升高呈遞增趨勢。Al-7.4%Cu的比熱容在25℃時為0.85 J·g?1·K?1，在500℃時達到最高值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含量達到51.7%，其常溫下的熱導(dǎo)率仍然高達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、無須運輸?shù)葍?yōu)點[2]，是人類社會最理想的能源形式之一。然而，太陽能在時間上的不連續(xù)性和強度上的不穩(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)運行，從而獲得成本效益[3]。

相比于顯熱蓄熱，潛熱蓄熱具有儲能密度大、蓄放熱過程近似等溫等優(yōu)點[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，對于高溫相變材料的研究以無機鹽為主[7]。無機鹽具有較高的儲能密度，以LiF(60)-40NaF為例，其相變潛熱值高達816 kJ·kg?1[8]。而大部分無機鹽的一個主要缺點是熱導(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，無機鹽還具有腐蝕性強、體積變化大、過冷度大等缺點[9,11]。與無機鹽相比，金屬合金類相變材料雖然具有相對較小的儲能密度，但其具有熱導(dǎo)率高、體積變化小、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，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、儲熱能力較好等優(yōu)點，已成為當前研究最廣泛的金屬相變儲熱材料[14]。

作為相變儲能材料，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)性能方面具有較強的優(yōu)勢[15-16]。Birchenall等[15]對 Al-17.5%Cu的熔點、潛熱值進行了數(shù)值計算和測試，還測試了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固態(tài)和液態(tài)的熱導(dǎo)率。Gasanaliev等[16]測試了Al-33.08%Cu的熔點、質(zhì)量潛熱和體積潛熱。上官玉輝等[17]對Cu含量在5%～40%的Al-Cu合金微觀組織和熔化過程的DSC曲線進行了分析研究。鄭洪亮等[18]對原子分數(shù)在5%～29%范圍內(nèi)的Al-Cu合金進行了研究，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3種不同成分的Al-Cu二元合金的凝固潛熱進行了測試，并運用 EET理論對Al-Cu二元合金價電子結(jié)構(gòu)進行了計算。此外，不僅Cu有助于降低鋁合金液對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，對鋁合金液的氧化具有保護作用[20-21]。Cu還是熱的良導(dǎo)體，對不同成分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Cu含量對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道。

為了研究Al-Cu合金的熱特性以及Cu含量變化對其產(chǎn)生的影響，主要針對不同Cu含量的Al-Cu合金的相變潛熱、相變溫度、比熱容、熱擴散系數(shù)和熱導(dǎo)率進行了研究，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 實驗與方法

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合金作為研究對象。材料制備以 Al（99.9%，質(zhì)量分數(shù)）和 Cu（99.9%，質(zhì)量分數(shù)）為原材料，按照設(shè)計的質(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℃時保溫5 h，澆入已經(jīng)提前預(yù)熱好的模具中，制成待測樣品。然后，將鑄好的合金在其熔點的90%左右的溫度條件下，進行100 h的均勻化退火處理。最終，采用化學分析法確定各個試樣的實際成分。成分測試的結(jié)果顯示，所得樣品的實際質(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 相變特性的測試

采用差示掃描量熱儀（NETZSCH DSC 404F3）對合金的熔化、凝固過程進行量熱分析，以測試其熔化溫度、凝固溫度和相變潛熱。測試中，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。通過對 DSC曲線的計算分析，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，則通過對每一個峰的面積進行數(shù)值積分計算得到。

1.3 熱導(dǎo)率的測試

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

熱擴散系數(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的升溫速率測量得到；密度ρ在25℃條件下，利用阿基米德原理進行測量；比熱容cp在氬氣的保護下，采用DSC以10 K·min?1的升溫速率測量得到。

2 結(jié)果與討論

2.1 相變潛熱與相變溫度

通過測試，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DSC曲線的計算分析，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，測試得到各個配比的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。對每個試樣進行了2次的測試并對測量結(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，對于Al-Cu合金，Cu含量在7.4%～51.7%范圍內(nèi)時，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合金熔化時的質(zhì)量潛熱值從 339.6 kJ·kg?1降低到295.5 kJ·kg?1；同時其凝固時的質(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。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，同時其熔化時的體積潛熱值從 972 MJ·m?3升高到了 1179 MJ·m?3，凝固時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。

表1 相變特性參數(shù)測試匯總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。而對于Cu含量高達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)出極大的儲能優(yōu)勢。

文獻[16]報道的 Al-33.08%Cu的密度為 3.60 g·cm?3，與本研究所測Al-32.1%Cu數(shù)據(jù)相當。此外，針對不同Cu含量的試樣進行的兩次DSC測試結(jié)果的偏差均在±6%范圍內(nèi)。而文獻[15-17,19]報道的 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，在已有文獻報道的范圍內(nèi)。這些測試結(jié)果的差異可以歸因于原材料、實驗條件、測試精度和加熱冷卻速率的差異[10]。而文獻[15-17,19]以及本研究測試的相變溫度是一致的。

2.2 熱導(dǎo)率

對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)率可通過計算其密度、比熱容和熱擴散系數(shù)的乘積得到。對每個試樣在各個溫度點的比熱容和熱擴散系數(shù)進行了3次測量，經(jīng)計算后取平均值得到對應(yīng)溫度點的熱導(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測試（測試精度為±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℃，各個配比的Al-Cu合金材料的比熱容均呈現(xiàn)遞增趨勢。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℃時為0.85 J·g?1·K?1，在500℃達到最高值1.08 J·g?1·K?1。

不同Cu含量的Al-Cu合金的熱擴散系數(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合金的熱擴散系數(shù)呈現(xiàn)降低的趨勢。在25℃時，Al-Cu合金的熱擴散系數(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，Al-Cu的熱擴散系數(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的熱擴散系數(shù)呈現(xiàn)降低的趨勢，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的熱擴散系數(shù)在 25～500℃范圍內(nèi)有一個明顯的先增加后降低的趨勢，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測試Al-Cu合金熱擴散系數(shù)的精度為±2%。

對3次測量所得數(shù)據(jù)分別進行計算得到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，認為實驗數(shù)據(jù)具有較好的可重復(fù)性。隨溫度從25℃升高到500℃，各個配比的Al-Cu合金的熱導(dǎo)率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。當Cu含量超過21.0%時，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。其中，Al-7.4%Cu在25℃時的熱導(dǎo)率為 164 W·m?1·K?1，在 423℃時達到 199 W·m?1·K?1，而后在502℃時降到192 W·m?1·K?1；熱導(dǎo)率較低的 Al-51.7%Cu在 25℃時的熱導(dǎo)率為104 W·m?1·K?1，在423℃時達到115 W·m?1·K?1，而后在 502℃時降到 114 W·m?1·K?1。文獻[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，而本研究實測的 Al-32.1%Cu在 502℃時的熱導(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)率不僅遠遠高于大多數(shù)作為相變材料的無機鹽（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儲能合金[10]；而Mg-51%Zn的熱導(dǎo)率在25℃時為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快速的儲存和釋放熱量。

從以上實驗結(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Cu含量超過共晶點對應(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，因此在共晶點之后Al-Cu合金的熱導(dǎo)率出現(xiàn)突降。

對于Al-Cu合金在25、500℃時的熱導(dǎo)率隨Cu含量的變化關(guān)系分別進行擬合，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，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

溫度為500℃時

3 結(jié) 論

研究了Cu含量對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；而熔化、凝固時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。Al-51.7%Cu具有最大的體積潛熱，非常具有競爭力。

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。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℃時的最高值達到199 W·m?1·K?1，而Al-51.7%Cu熱導(dǎo)率在25℃時的最低值仍然高達104 W·m?1·K?1。

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

符 號 說 明

c——Cu質(zhì)量分數(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

M——熔化

m——單位質(zhì)量

S——凝固

v——單位體積

[1]TIAN Y, ZHAO C Y. A review of solar collectors and thermal energy storage in solar thermal applications [J]. Applied Energy, 2013, 104: 538-553.

[2]劉泛函, 王仕博, 王華, 等. 圓柱形相變蓄熱單元性能的理論與數(shù)值研究[J]. 太陽能學報, 2015, 36(3): 575-580. LIU F H, WANG S B, WANG H, et al. Thermal cylindrical phase change thermal storage unit performance and numerical study [J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2015, 36(3): 575-580.

[3]HOSHI A, MILLS D R, BITTAR A, et al. Screening of high melting point phase change materials (PCM) in solar thermal concentrating technology based on CLFR [J]. Solar Energy, 2005, 79(3): 332-339.

[4]ZHAO C Y, LU W, TIAN Y. Heat transfer enhancement for thermal energy storage using metal foams embedded within phase change materials (PCMs) [J]. Solar Energy, 2010, 84(8): 1402-1412.

[5]PIELICHOWSKA K, PIELICHOWSKI K. Phase change materials for thermal energy storage [J]. Progress in Materials Science, 2014, 65(10): 67-123.

[6]劉靖, 王馨, 曾大本, 等. 高溫相變材料 Al-Si合金選擇及其與金屬容器相容性實驗研究[J]. 太陽能學報, 2006, 27(1): 36-40. LIU J, WANG X, ZENG D B, et al. The selectness of high-temperature phase change material Al-Si alloy and experimentalresearch on the container [J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2006, 27(1): 36-40.

[7]ADINBERG R, ZVEGILSKY D, EPSTEIN M. Heat transfer efficient thermal energy storage for steam generation [J]. Energy Conversion and Management, 2010, 51(1): 9-15.

[8]PHILIPS W M, STEARS J W. Advanced latent heat of fusion thermal energy storage for solar power systems [C]// Proceedings of 20th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference. Energy for the Twenty-First Century. 2. Miami Beach, FL, USA: Society of Automotive Engineers Inc., 1985: 384-391.

[9]KENISARIN M M. High-temperature phase change materials for thermal energy storage [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2010, 14(3): 955-970.

[10]RODRIUEZ B P, ASEGUINOLAZA R J, RISUENO E, et al. Thermophysical characterization of Mg-51%Zn eutectic metal alloy: a phase change material for thermal energy storage in direct steam generation applications [J]. Energy, 2014, 72: 414-420.

[11]WANG Z Y, WANG H, LI X B, et al. Aluminum and silicon based phase change materials for high capacity thermal energy storage [J]. Applied Thermal Engineering, 2015, 89: 204-208.

[12]LIU M, SAMAN W, BRUNO F. Review on storage materials and thermal performance enhancement techniques for high temperature phase change thermal storage systems [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012, 16(4): 2118-2132.

[13]FARKAS D, BIRCHENALL C E. New eutectic alloy and their heats of transformation [J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 1985, 16(3): 323-328.

[14]程曉敏, 何高, 吳興文. 鋁基合金儲熱材料在太陽能熱發(fā)電中的應(yīng)用及研究進展[J]. 材料導(dǎo)報, 2010, 24(17): 139-143. CHENG X M, HE G, WU X W. Application and research progress of aluminum-based thermal storage materials in solar thermal power [J]. Materials Rev., 2010, 24(17): 139-143.

[15]BIRCHENALL C E, RIECHMAN A F. Heat storage in eutectic alloys [J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 1980, 11(8): 1415-1420.

[16]GASANALIEV A M, GAMATAEVA B Y. Heat-accumulating properties of melts [J]. Russian Chemical Reviews, 2000, 69(2): 179-186.

[17]上官玉輝, 王杰芳, 張東升, 等. 不同Cu含量Al-Cu合金的微觀組織及DSC分析[J]. 鑄造技術(shù), 2010, 31(7): 888-891. SHANGGUAN Y H, WANG J F, ZHANG D S, et al. Microstructures and DSC study of Al-Cu alloy with different Cu contents [J]. Foundry Technology, 2010, 31(7): 888-891.

[18]鄭洪亮, 孔凡利, 田學雷. Al-Cu合金成分變化對其凝固潛熱影響的研究[J]. 山東大學學報（工學版）, 2008, 38(2): 10-17. ZHENG H L, KONG F L, TIAN X L. The effect of composition on the latent heat of solidification for the Al-Cu alloy [J]. Journal of Shandong University (Engineering Science), 2008, 38(2): 10-17.

[19]程曉敏, 張適闊, 吳興文. Al-Cu二元合金相變儲熱機理研究[J].熱加工工藝, 2010, 39(10): 21-23, 26. CHENG X M, ZHANG S K, WU X W. Study on mechanism of phase change heat storage in Al-Cu alloy [J]. Hot Working Technology, 2010, 39(10): 21-23, 26.

[20]YOUSAF M, IQBAL J, AWAN G. Characterization of steel 1035 hot-dip-aluminized in pure Al and Al-Cu alloys [J]. Mehran University Research Journal of Engineering and Technology, 2010, 29(2): 327-336.

[21]LIU H, BOUHARD M. Evaluation of interaction coefficient in Al-Cu-H alloy [J]. Metallurgical & Materials Transactions B: Process Metallurgy & Materials Processingence, 1997, 28(4): 625-632.

[22]OKAMOTO H. Supplemental literature review of binary phase diagrams: Ag-Ni, Al-Cu, Al-Sc, C-Cr, Cr-Ir, Cu-Sc, Eu-Pb, H-V, Hf-Sn, Lu-Pb, Sb-Yb, and Sn-Y [J]. Journal of Phase Equilibria & Diffusion, 2013, 34(34): 493-505.

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)新團隊項目（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).