无机相变储能材料与航天铝合金封装材料的相容性研究

【作者】 纪灏天； 张焕冬； 张天一； 雍兴跃；

【机构】 北京化工大学化学工程学院； 中国航天科技集团公司第五研究院508所；

【摘要】 本文选用三种典型无机相变储能材料（Na₂SO₄·10H₂O、Na₂HPO₄·12H₂O、CaCl₂·6H₂O）,研究了航天用3A21、6061及7075铝合金封装材料在熔融态相变材料中的腐蚀行为。结果表明,铝合金的腐蚀程度受相变材料物态、pH及阴离子种类影响较大。其中,Na₂SO₄·10H₂O对三种铝合金的侵蚀性最小,500h后均未见明显腐蚀;Na₂HPO₄·12H₂O因其碱性环境对铝合金侵蚀作用较强,其中7075铝合金出现脱成分腐蚀现象;CaCl₂·6H₂O的Cl^-离子在三种铝合金表面诱发严重点蚀,蚀孔在纵深方向发展迅速。相变材料因其储能密度大、控温精度高、装置结构精巧等特点受到航天热控领域广泛关注^[1]。尤其是在弹载设备空间有限的条件下,相变换热成为了主流热控形式之一。然而,随着航天技术的发展,性能逐步提升使得设备整体热流密度大幅提高,目前广泛应用的有机相变石蜡材料难以满足控温需求。无机类相变材料较有机类相变材料具有更大的相变潜热,却因为其对封装材料的腐蚀问题限制了发展^[2]。当前,无机相变储能材料的腐蚀问题缺乏系统性研究,关于封装结构的选材设计也少有提及^[3],[4],[5]。本研究选取航天设备中常用的Al-Mn合金（3A21）、Al-Mg-Si合金（6061）及Al-Zn-Mg-Cu合金（7075）作为研究金属,采用腐蚀失重、极化曲线、交流阻抗、EDS、XRD与SEM表面观察等测试方法研究浸没与半浸没状态下,三种铝合金在熔融态Na₂SO₄·10H₂O、Na₂HPO₄·12H₂O、CaCl₂·6H₂O相变材料中的腐蚀行为。结果表明,三种铝合金在弱酸性（pH=4.90±0.05）及中性（6.95±0.05）环境中腐蚀速率较缓,碱性环境中（pH=9.0±0.05）腐蚀严重（见图1）。随着浸泡时间的延长,7075铝合金在Na₂HPO₄·12H₂O中出现了脱成分腐蚀现象,使得合金中Cu成分以氧化物形式富集在表面,一定程度上减缓了腐蚀速度。由Nyquist可知,Cl^-与SO4^2-离子对铝合金有明显的点蚀作用。其中在Cl^-作用下,从点蚀诱导期到蚀孔发展期及加速溶解过程在72h内进展迅速,而在SO4^2-环境中虽然观察到点蚀诱导期特征,但其蚀孔发展缓慢,纵深方向的侵蚀速度较缓。通过对比全浸与半浸没状态下铝合金在相变材料中的腐蚀状态可得知,气/液与液/固界面均呈现出不同的腐蚀特征。半浸没状态下,水线部分腐蚀最为严重,而结晶态环境中环境腐蚀速率较缓。因此,无机相变储能材料作为换热介质时,应保证材料在熔融状态下为中性环境,避免引入Cl^-,Br^-等诱发点蚀离子。同时,封装填充操作应在真空或惰性气体保护下进行,以避免水线腐蚀。综合评估材料焊接性能与耐蚀性能,6系铝合金（6061、6063）是较理想的无机相变封装材料。更多还原