基本信息
- 项目名称：
- 高性能金属纤维毡在新能源领域中的应用研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 面对严峻的能源危机，世界各国都在积极寻找可再生、清洁环保的新能源。本研究小组利用切削法加工的金属纤维为原料，采用固相烧结方法形成一种具有三维网状的金属纤维骨架结构和全连通孔隙结构特征的金属纤维毡，与同类产品相比，具有高精度全连通的孔径、孔隙率高、比表面积大的结构特点。并成功共应用于制氢微反应器催化剂载体板、甲醇燃料电池双极板、微热管吸液芯等新能源领域，并取得良好的效果。
- 详细介绍：
- 严峻的能源危机和环境污染问题已成为制约全球经济发展的关键，开发使用可再生、清洁环保的新能源是未来社会发展的必然趋势。因此，积极开发体积小，能量密度高的新能源装备及关键元件，成为当前新能源开发与利用领域中急需解决的关键问题。本研究小组利用切削法加工的金属纤维为原料，采用固相烧结方法形成一种具有三维网状的金属纤维骨架结构和全连通孔隙结构特征的金属纤维毡，与同类产品相比，具有高精度全连通的孔径、孔隙率高、比表面积大的结构特点。将该种金属纤维毡应用在制氢微反应器催化剂载体板、直接甲醇燃料电池双极板、微热管吸液芯，开发具有高能量密度的新能源装置，实现能源的高效利用。本作品具有如下特点和优势：(1) 采用多齿切削法加工金属纤维，纤维当量直径可达35μm，纤维表面具有丰富的多/微尺度表面结构。(2) 设计一种可调性的模压装置，实现从功能需求主动设计金属纤维毡结构参数。(3) 金属纤维毡可以在较低的温度和较短的时间下实现烧结成形。(4) 将金属纤维毡用于燃料电池双极板，制氢微反应器催化剂载体板，微热管吸液芯可显著提高相关产品性能。本作品发明的金属纤维毡将在航空航天、冶金机械、电子通讯、能源环保、国防军工等领域有着广泛应用前景。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的： 针对目前日益严峻的能源危机和环境污染问题，开发体积小，能量密度高的新能源装备及关键元件，解决当前新能源开发与利用领域中的关键问题。 基本思路： 采用大刃倾角多齿刀具加工获得连续型微细金属纤维，并以金属纤维为原料通过固相烧结技术制成金属纤维毡。将其应用于制氢微反应器，燃料电池领域。 创新点： (1) 采用多齿切削法加工金属纤维。纤维表面具有丰富的多/微尺度的粗糙异型结构的特征。 (2) 将金属纤维烧结或者激光加工而形成具有高孔率大孔径结构特点的金属纤维毡，此方法是一种新的成形方法。 (3) 研究金属纤维毡作为燃料电池，制氢微反应器以及微热管的等方面的应用，为多孔金属在新能源领域的应用提供有价值的参考。 技术关键和主要技术指标： （1）采用多齿切削法加工出表面具有粗糙茸状结构的金属纤维。纤维的当量直径为50μm~100μm，纤维表面具有丰富的微/纳尺度结构。 （2）金属纤维毡的烧结成形。设计一种薄片层叠式模压装置，实现纤维毡的外形尺寸和结构参数的主动控制。在700-1000℃烧结30 min-90min实现金属纤维的烧结形成。纤维毡具有高孔隙率，大孔径，全连通孔结构和大比表面积的结构特点。 （3）金属纤维毡用作直接甲醇燃料电池中的流场板。可提高双极板的传热传质性能，降低双极板的制造成本。 （4）金属纤维毡用作甲醇水蒸汽重整制氢微反应器的催化剂载体板。提高载体板与催化剂的亲和性和负载强度，提高甲醇转化率和氢气选择性。
科学性、先进性
- （1）金属纤维加工。采用多齿切削法加工金属纤维，纤维当量直径可达35μm，纤维具有多/微尺度的粗糙异型结构的特征，将单刃切削发展到多刃切削，大幅提高生产效率。 （2）金属纤维毡的制备。具有表面微结构的金属纤维可以在较低的烧结温度和较短的烧结时间下实现金属纤维毡的烧结成形。 （3）金属纤维毡的结构特点。金属纤维毡具有三维网状多孔结构、高精度全连通的孔径、孔隙率高、比表面积大的结构特点，有效克服了多孔有机高分子材料强度低且不耐高温，多孔陶瓷质脆且不抗热震，金属网易堵易破，粉末烧结易碎、流量小，滤纸滤布不耐温、耐压等缺点。 （4）金属纤维烧结毡的应用。 ①金属纤维烧结毡用于直接甲醇燃料电池双极板，可以保证甲醇水溶液均匀分布，保证电流密度分布均匀，防止局部过热，提高输出效率，降低DMFC的制造成本。 ②金属纤维毡用于催化剂载体板，可提高单位反应体积下催化剂附着量，提高反应器的供氢量，并且提高催化剂的附着能力。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 专利权转让
作品可展示的形式
- 实物、产品、图纸、现场演示、图片、录像、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 应用领域： 金属纤维毡已经或者潜在的应用领域主要包括过滤与分离，催化剂载体，电极材料，吸音材料，电磁屏蔽，能量吸收，换热元件和冷却材料等领域。 （1）过滤与分离领域，可以被广泛的应用在化纤、聚酯薄膜、石油和液压元件中，还可以用作汽车安全气囊的过滤器件。 （2）化工领域，可以用作催化剂及其载体，也可用于热交换器中。 （3）能源材料领域，如：电池电极材料等。 （4）微电子制造应用领域，可以作为热管的吸液芯材料。 市场分析和经济效益预测 由于金属纤维及烧结毡的制造技术难度大、工艺复杂，目前世界上只有比利时的Bekaert公司、美国的Pall, Mott公司，日本的金线公司等可以批量生产金属纤维烧结毡。据统计，我国烧结金属多孔滤材的年需求量大约5亿人民币，随着新型应用领域的不断增加，多孔金属材料的需求将会进一步扩大，因此新型多孔金属纤维烧结毡的开发和研究,不仅仅有助于提高多孔金属烧结毡的制造水平,而且对于加快多孔金属及其相关产品在我国实现产业化水平具有非常重要的现实意义。
同类课题研究水平概述
- 金属纤维加工国内外研究进展： 熔抽法 熔抽法的基本原理是将金属加热到熔融状态，再通过一定的装置将熔融金属液体喷射或甩出后冷却而形成金属纤维。德国制造工程与应用材料研究所利用坩埚熔融抽丝法加工的金属合金纤维成功应用在过滤与分离领域中的关键组件。英国纤维科技有限公司在利用熔抽法制备不锈钢纤维及其制品方面实现了商品化，并与英国剑桥大学在纤维制品的应用技术方面展开了一系列的研究合作。 拉拔法 拉拔法可以分为单根拉拔法和集束拉拔法两种。集束拉拔法较单根拉拔法相比提高了生产率，降低了成本。国际上著名的生产厂商主要有比利时贝卡尔特公司、美国颇尔公司和日本精线公司。中国西北有色金属研究院和长沙矿冶研究院展开对拉拔金属纤维技术的攻关并取得重大突破，西部金属材料股份有限公司和湖南惠同股份有限公司已经在拉拔法生产金属纤维的关键技术和规模化，产品化方面走进世界的先进行列。 切削法 切削法是目前使用较为广泛的金属纤维制造方法之一，制造的金属纤维产品种类齐全，适用面广。切削法按切削方式不同又可分为铣削法、刮削法、剪切法、车削法等。华南理工大学近年来针对连续型金属纤维的制造方法开展了系列的研究工作，先后成功开发了微锯-拉屑成形法和多齿切削法。美国中佛罗里达大学和爱尔兰利莫瑞克大学的研究者则利用激光无模拉拔技术在气氛保护环境下制造出微细金属纤维，并系统研究了镍纤维商业化的生产工艺。 金属纤维毡的制造技术国内外研究进展： 固相烧结技术 固相烧结技术是指利用成型方法将金属纤维制得一定形状和尺寸的压坯后，在一定的气氛环境和工艺条件下直接烧结形成最终产品，在整个烧结过程中没有液相产生。德国IFAM研究所利用坩埚熔融抽丝法加工的金属纤维为原料，烧结出具有全连通孔径结构特征和不同外观形状（平板型，圆柱和圆环等）的高孔率（70~95 %）的多孔金属纤维烧结毡。西北有色金属研究院采用集束拉拔法加工不锈钢纤维，并利用气流成毡技术和烧结技术成功开发出不锈钢纤维烧结毡，实现了不锈钢纤维烧结毡的规模化生产。 液相烧结技术 与固相烧结技术相比，液相烧结技术是指采用一些工艺方法向金属纤维中添加一个低熔点的组分，然后制成混合物压坯后烧结，由于该组分在烧结过程中能够产生液相，从而实现低温和短时间条件下纤维的冶金结合。德国IFAM研究所利用液相烧结技术制造了一种多孔铝纤维烧结板。
