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划重点 | 粉末冶金技术在新能源材料中的应用

 柒国联军 2021-09-27
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粉末冶金技术是制取金属粉末或者用金属粉末作为原料,经过成型和烧结而制作成金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。相比较于其他传统技术,粉末冶金能够极大的提高能源的利用率,因此这种技术已经成为解决新材料问题的新技术手段,在新能源材料的发展中起着举足轻重的作用。  

粉末冶金材料的区别

一、传统粉末冶金材料  

传统的粉末冶金材料主要有铁基粉末冶金材料、铜基粉末冶金材料、硬质合金粉末冶金材料等几种类别,其中铁基粉末冶金材料是传统粉末冶金材料中最基本、最普遍、最关键的材料,当前被广泛应用在汽车制造行业当中,随着技术的进步,其应用范围将会进一步扩大。铜基粉末冶金材料的耐腐蚀性较强且种类多,被广泛应用在电器制造行业中。硬质合金粉末冶金材料的熔点较高,其硬度与强度较高,被广泛应用在核武器制造等高端领域中。  

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铁基粉末  

二、现代粉末冶金材料  

现代粉末冶金材料只要有以下几种类别:  

1. 信息领域中应用的粉末冶金材料,其主要是金属类及铁氧体类的材料;  

2. 新能源领域中的粉末冶金材料,其主要是新能源材料与储能材料,粉末冶金技术及材料的应用能够极大地提高能源的利用率,更好的开发新能源;  

3. 生物领域中应用的粉末冶金材料,一般分为冶金材料与医用材料,对于保障人们的健康有重要意义;

4. 在军事领域当中粉末冶金材料的应用,如航空航天领域、核军事领域等,这类领域对于材料有着极高的要求,需要材料具备较强的稳定性与安全性、耐高温性等性能才能推动科技与军事的发展与进步,促进其技术水平的提高。

粉末冶金技术在新能源材料中的应用

一、在风能材料中的应用  

风能是新能源而且具有充足、清洁等特点,依靠风能发电可以利用粉末冶金技术制造其发电设备。在风能发电设备的制作过程当中需要利用粉末冶金技术的两种材料,即永磁钕铁硼材料制动片材料,这两种材料的应用能够直接影响风能发电设备的安全性与稳定性并影响其运行。

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目前常用的风电机组的机械制动材料为铜基粉末冶金摩擦材料,采用粉末冶金技术制备的摩擦材料在性能质量上具有突出的优点,在组分的设计,产品的多样化上也极具灵活性,它可以任意改变材料的组分,因而可以制备出在不同情况下应用的性能优异的摩擦材料。铜基粉末冶金摩擦材料的摩擦系数较小、导热性好、摩擦系数较稳定、耐磨性较好,应用在风机制动系统上大大提高了风电机组运行的稳定性。  

铁硼稀土永磁体是稀土永磁电机组成中的最重要的零部件,可替代传统电机,向大容量﹑优良的发电质量、提高材料利用率、降低噪声、降低成本、提高效率的方向发展。钕铁硼稀土永磁材料采用粉末冶金技术来制备,基本工艺是熔炼-铸锭-破碎-微粉碎-磁场中成形-烧结-时效处理-机加工-表面处理-充磁。  

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钕铁硼稀土永磁材料  

二、在太阳能材料中的应用  

太阳能的利用主要包括光伏、光热、光化学转化以及光生物转化等。  

(1)太阳能光电材料  

目前开发的太阳能电池的种类很多,但其光电转换效率普遍偏低,特别是对于军事装备、航空航天等军事与空间应用领域,光电转换效率是太阳能电池最重要的指标。新的高效太阳能电池材料的开发和制备技术改进等有利于提高光电转化效率。  

粉末冶金技术在太阳能光电材料制备中的应用的体现就是制备薄膜太阳能电池。 

图片薄膜太阳能电池

多晶硅薄膜太阳能电池的方法有等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)、低压化学气相沉积法(LPCVD   )、热丝化学气相沉积法(HwCVD)、快速热化学气相沉积法(RTCVD)、液相外延法(LPE)、溅射沉积法等。非晶硅薄膜太阳能电池是用非晶硅半导体材料在玻璃、特种塑料、陶瓷、不锈钢等为衬底制备出来的一种目前公认环保性能最好的太阳能电池,制备方法有反溅射法、低压化学气相沉积法(LPCVD)、等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)和热丝化学气相沉积法(HwCVD)。这些薄膜制备使用的靶材离不开粉末冶金技术。  

(2)太阳能光热材料  

太阳能热发电相对于光伏发电,具有成本低、适合于大规模发电等优势,然而由于其到达地球后的能量密度比较低。给大规模的开发利用带来一定的困难,因此其推广使用必须提高其能量密度。制备高效的太阳能选择性吸收涂层是太阳能热利用中的关键技术,对提高集热器效率至关重要。  

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光热发电  

粉末冶金技术在太阳能光热利用材料制备中的应用的体现是制备太阳能选择性吸收涂层。太阳能选择性吸收涂层主要制备方法有涂料法、电镀法、电化学法、气相沉积法和真空镀膜法。

涂料法需要将具有光吸收选择性的粉体作为色素与粘结剂混合制成涂料,然后通过喷涂、浸沾、涂刷等方法将涂料涂在基板上。在基板上。常用的色素材料有Si、Ge、PbS和一些过渡金属复合氧化物。

电镀法是利用电镀的方法将具有光选择性吸收的金属镀在基板上,常用的电镀涂层主要有黑镍涂层、黑铬涂层、黑钴涂层等。  

其他方法也要大量用到薄膜制备,通过改变磁控溅射的靶材料,可制备各种各样的薄膜。随着粉末冶金新材料技术的发展,新型选择性涂料得到了应用,太阳能选择性吸收涂层的研究和制备技术也必将获得新的发展。  

三、在储氢材料中的应用  

固体储氢是最为常见的储存方式,但将粉末冶金技术应用在固体储氢的容器之中并在一定的温度和氢气压力下能够使氢气的储存更加稳定、安全、有效。  

储氢合金是指在一定温度和氢气压力下能可逆地大量吸收、储存和释放氢气的金属间化合物,储氢机理是氢分子首先吸附在金属表面,再解离成氢原子,然后再进人到金属的晶格中形成氢化物。储氢合金储氢量大、无污染、安全可靠,并且制备技术和工艺相对成熟,是目前应用最为广泛的储氢材料。  

金属基储氢合金一般有镁基储氢材料、稀土系储氢材料及钛系储氢材料等,对于先进的储氢合金,一般采用机械合金化、氢化燃烧合成和还原扩散法等粉末冶金技术来制备。 

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稀土储氢材料应用

四、在燃料电池材料中的应用  

燃料电池是一种能够把燃料气体等物质的能源转化成电能的装置,将粉末冶金技术应用在其中主要是用于燃料电池中的电极材料和密封部件等,利用粉末冶金技术的优势能够极大的提高材料的性能、安全性、稳定性等,另外,还能够降低材料价格,这对于燃料电池材料的发展有重要意义。  

由于出色的电化学性能,目前Ni/YSZ金属陶瓷阳极是以氢为燃料的固体氧化物燃料电池(SOFC)的首选。金属Ni因其便宜的价格及较高的稳定性,常与电解质氧化钇稳定的氧化锆( YSZ)混合制成多孔金属陶瓷 Ni/YSZ,Ni/YSZ是目前应用最广泛的SOFC阳极材料。  

燃料电池阴极材料为多孔的锶掺杂的锰酸镧(LSM),多孔材料的制备只能采用粉末冶金技术。 

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   固体氧化物燃料电池 

五、在其他新能源中的应用  

粉末冶金技术除了可以应用于风能与太阳能方向之外,它在核能开发、锂电池制造等方面同样有着不可忽视的应用效果。  

以锂电池与粉末冶金技术结合为例,锂电池中的新型电解质、能量密度等都和粉末冶金技术有着紧密关系。利用超微粉末制造纳米晶体材料和纳米管,就能够提升锂电池的充电速度、延长锂电池的使用时间。 

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纳米晶体扩大锂离子存储空间  

在核能开发方面,粉末冶金技术的应用同样十分广泛,在的制备方面,粉末冶金技术可以提升真空热压和半成品加工的质量,有着不可替代的积极作用。粉末冶金技术涉及由铸锭生产粉末的工艺(机械磨碎或者溅射熔化的镀)和压制工艺如真空热压(VHP)和热等静压(HIP)等。

结语

在新能源的发展过程中,新能源材料起到了不可替代的重要作用,引导和支撑了新能源的发展。粉末冶金技术作为具有众多优点的新技术能够极大的提高能源的利用率,提高能源利用的安全、稳定性等,对于我国的工业发展以及新能源的应用有重要意义。随着粉末冶金技术的进步,将会有越来越多的先进粉末冶金新材料出现并应用到能源材料中,促进新能源的开发和使用,解决能源问题。

参考资料

1. 粉末冶金技术在新能源材料中的应用,郭志猛、杨薇薇、曹慧钦(北京科技大学新材料技术研究院);  

2. 分析粉末冶金技术在新能源材料中的应用,高宇龙;   

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