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基本信息
- 項目名稱：
- 高性能金屬纖維氈在新能源領(lǐng)域中的應(yīng)用研究
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 面對嚴(yán)峻的能源危機(jī)，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(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。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(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。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(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)計一種可調(diào)性的模壓裝置，實現(xiàn)從功能需求主動設(shè)計金屬纖維氈結(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間下實現(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、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 目的： 針對目前日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)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(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： (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)計一種薄片層疊式模壓裝置，實現(xiàn)纖維氈的外形尺寸和結(jié)構(gòu)參數(shù)的主動控制。在700-1000℃燒結(jié)30 min-90min實現(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。 （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(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)時間下實現(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。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，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。 （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。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 無
作品所處階段
- 實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 專利權(quán)轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品、圖紙、現(xiàn)場演示、圖片、錄像、樣品
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 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。 市場分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測 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(chǎn)金屬纖維燒結(jié)氈。據(jù)統(tǒng)計，我國燒結(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,而且對于加快多孔金屬及其相關(guān)產(chǎn)品在我國實現(xiàn)產(chǎn)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(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(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)用在過濾與分離領(lǐng)域中的關(guān)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(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。國際上著名的生產(chǎn)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(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)?；a(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(dá)大學(xué)和愛爾蘭利莫瑞克大學(xué)的研究者則利用激光無模拉拔技術(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，在整個燒結(jié)過程中沒有液相產(chǎn)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(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低熔點的組分，然后制成混合物壓坯后燒結(jié)，由于該組分在燒結(jié)過程中能夠產(chǎn)生液相，從而實現(xiàn)低溫和短時間條件下纖維的冶金結(jié)合。德國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。
