能源材料与器件实验室
发布人:军民融合处  发布时间:2017-11-24   动态浏览次数:5

实验室研究方向和主要研究内容:

1 能源转换材料

1)热电能源转换材料

热电能源转换技术利用温差驱动载流子定向迁移,实现热能与电能的直接转换,是清洁能源技术的典型代表。在地热、余热利用以及废热回收方面具有重要的作用,在深空探测等方面具有难以替代的作用。热电转换效率是决定其使用性能的关键指标,转换效率越高,在相同温差驱动下能将更多的热量转换为电能,有效提高热能的利用效率。然而,要获得与现有热机相当的转换效率,材料的平均热电优值(ZT)需达3.0左右,现有研究ZT峰值可达2.0左右。因此,提高材料热电性能是提升转换效率并推进其大规模应用的关键。

提升热电材料ZT值的方法一般有提高功率因子(S2σ),或降低热传导系数(κ)等方法。影响功率因子的物理机制包括散射参数、能态密度、载流子移动度及费米能级等四项。通常通过改变掺杂浓度来调整费米能级以达到最大的S2σ值;热电材料的热传导大部份是通过晶格来传导,因此晶格热传导系数是影响材料热传导系数的关键,并正比于样品定容比热(CV)、声速及平均自由程度等三个物理量。平均自由程可随材料中杂质或晶界多寡而改变,通过掺杂、缩小材料晶粒尺寸、增加界面等方法即可有助于减少平均自由程,降低热传导系数。

利用上述方法,通过材料体系优选、调整电子结构和材料制备工艺等方法,优化热电材料的热电优值,研制高性能、适用于不同温度范围的低、中、高温热电材料。

2)光热转换材料

太阳能作为一种理想洁净的新能源,其有效利用受到广泛关注。太阳能是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源,也是清洁能源,不会对环境产生任何污染。利用太阳能的各种新材料、新设计、新技术成为当今新能源领域的研究热点。目前,太阳能的能量利用主要有光热转换、光电转换、光化学转换3种方式,其中太阳能光热转换是最普及的利用太阳能的一种形式。太阳能光热转换的基本原理是:通过设计选择性吸收材料及其结构将太阳辐射能收集起来,通过光与物质的相互作用转换成热能加以利用。太阳能是一种低品质能源,能量密度较低,要想获得较高的光热转化效率,必须采用相应的技术和装置(如太阳光集热器)对太阳能进行采集。利用聚光(聚焦)集热技术,可以有效提升太阳能光热转换温度,从而提高太阳能集热系统的综合转换效率,实现在中高温领域的太阳能热利用。太阳能选择性吸收涂层是太阳能集热器的主要功能组件之一,是太阳能光热转换中最为关键的部分,其质量和光学性质决定着器件的热捕集性能。为使太阳能得到充分有效的利用,应最大限度地对入射的太阳辐射进行吸收,尽量减少消光材料本体对环境的热辐射损失。如何实现太阳能选择性吸收涂层同时具有高的太阳辐射吸收率和低的红外辐射发射率,有效提高太阳能系统集热温度和集热效率,是太阳能热利用研究的核心问题。

2 能源储存材料

本方向致力于研究能源的高效存储技术,减缓能源衰减,克服能源的供给与需求在时间和空间上不同步的难题,提高能源的利用效率。

1)电池储能材料

锂离子电池材料

全钒液流电池材料

2)电容器储能材料

超级电容器是一种新型储能装置,具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点,因而用途广泛。与利用化学反应的蓄电池不同,超级电容器的充放电过程始终是物理过程,性能十分稳定,故而安全系数高、低温性能好、寿命长且免维护。超级电容器用作起重装置的电力平衡电源,可提供超大电流的电力;用作车辆启动电源,启动效率和可靠性都比传统的蓄电池高,可以全部或部分替代传统的蓄电池;用作车辆的牵引能源可以生产电动汽车、替代传统的内燃机、改造现有的无轨电车;用在军事上可保证坦克、装甲车等战车的顺利启动(尤其是在寒冷的冬季)、作为激光武器的脉冲能源。

与二次电池相比,超级电容器在功率密度和循环寿命方面具有明显优势,但超级电容器的能量密度远低于锂离子电池。因此,超级电容器在对能量密度要求较高的场合尚不能替代锂离子电池的作用。高能量密度是目前对超级电容器提出的最迫切的要求,倘若超级电容器具备高能量密度的特点,将在许多领域取得更广泛的应用。超级电容器的能量密度主要取决于电极材料的比电容量以及电极材料在电解液中的工作电压,因此有必要系统研究电极材料微观结构、成分组成与分布对电极材料比电容量的影响,以及电极材料在不同电解液中的稳定性。

3)热能存储材料

热能是工业生产中最为常见的能源应用形式,与电能相比,热能的品位较低,较易衰减,不易储存。通过相应的能量存储技术,将余热和废热存储起来并加以利用,是提高能源利用效率的有效方法之一。

蓄热材料主要包括相变储热材料和显热储热材料。显热储热材料主要是隔热保温材料和低发射率材料。如建筑物外墙的保温材料可有效隔绝内部与外部环境的热量传输途径;LOW-E玻璃材料可有效反射内部或外部的红外热辐射,避免内外环境的辐射热交换;低发射率/高反射率的外墙涂料可大量反射太阳辐射,降低建筑表面对太阳辐射的吸收,避免热积聚过程。

潜热储热材料则利用材料的固-液或固-固相变潜热来储存热能,具有蓄热密度大、储热过程近似等温、过程易控制等优点,具有较大的应用价值。在钢铁、冶金和机械加工、陶瓷生产等行业中,有大量间断工作的间歇式加热炉,这类加热炉的热能利用率通常低于30%,其中锻造加热炉则在10%以下。对于连续工作的加热过程,常规方法是利用预热器加热助燃空气或物料,从而提高工业加热过程的能源利用率,对于间断工作的加热过程,适宜采用相变潜热储能技术。目前应用较多的相变材料仍以固-液相变材料为主,已实现了工程化应用,但其存在体积变化大、稳定性差、应用形式单一、耐高温性能差等缺点。固-固相变材料可克服上述缺点,可用于高温相变储热领域,但仍存在储热能力小、相变温度调控困难等难题。

3 能源器件及应用

能源器件是能源转换材料和能源存储材料的最终使用形式,在已研制高性能材料的基础上,针对典型应用场景,开展能源器件的结构设计和性能优化研究工作,对能源器件的应用和节能效果进行验证,从而打通材料优化、器件设计和应用研究的整个流程,能够为技术推广和工程应用奠定良好的基础。

科研团队:

学术带头人介绍:

张勤勇:教授,西华大学西华学院院长,从事能源材料与器件领域研究工作。获得省科技进步奖2项,发表SCI论文30余篇,参加编写《Advanced Thermoelectrics: Materials, Contacts, Devices, and Systems》。目前作为项目负责人的项目有国家自然科学基金共振散射优化p型IV-VI材料热电性能的研究、双能垒对p型Mg2X材料输运过程和热电性能影响的研究,四川省科技厅项目热电材料及应用四川省青年科技创新研究团队、中温热电材料half Heusler合金与器件量产关键技术研究与应用等。

金应荣:研究员,现任西华大学材料科学与工程学院副院长。主要从事高性能结构材料、半导体材料与器件方面的研究工作。在光电子材料的制备方面取得一定进展。发表文章30多篇。申报发明专利12项,其中授权9项。观察到了碘化铅熔体与液态铅分层的现象,修订了Pb-I相图,提出了生长碘化铅单晶体的新方法;在Ca3Co4O9热电材料的常温常压致密化烧结方面取得了一定进展。四川西华机动车司法鉴定所司法鉴定人。

栾道成:教授,西华大学材料科学与工程学院院长,现为享受国务院政府津贴专家。先后承担多项国家、省级科研项目。先后在金属学报、材料热处理学报、摩擦学学报、钢铁研究学报、硬质合金等期刊发表学术论文70余篇,SCI,EI收录约20篇。铁路道岔(辙叉)心轨新一代高性能耐磨材料研究,四川省科技进步二等奖高耐磨耐热超高碳球墨铸钢新材料机理及应用研究;铝基特种滑动轴承合金及其在液压工业中的应用研究;铸态奥氏体—贝氏体耐磨钢机理及应用研究等4项获四川省科技进步三等奖。高速准高速铁路道叉(辙叉)高性能耐磨钢及制备技术;铁路钢轨及组合辙叉修复专用贝氏体焊条;高寒地区铁路贝氏体钢组合辙叉修复专用焊条等获授权发明专利5项。高效可转位刀具新型硬质合金基体材料及刀片应用研究;耐磨擦磨蚀聚氨酯复合材料研究;铁路道岔(辙叉)心轨新一代高性能耐磨材料研究等成果鉴定6项。先后承担《高效可转位刀具及超硬刀具系列的研究及产业化》国家重大专项子课题、《新一代高性能铁路辙叉心轨耐磨材料关键成套技术及应用开发研究》四川省重点支撑、《新一代重载铁路辙叉心轨耐磨材料关键技术开发研究》等横向项目50余项。授权发明专利5篇,省科技进步二等奖1项,三等奖4项。发明的贝氏体钢铁路辙叉,在全国推广应用,为我国铁路提速做出了贡献。四川省铸造学会副理事长、四川省材料及热处理学会副理事长、成都市材料及热处理学会副理事长,中国金属学会耐磨材料学术委员会常委理事。

罗德福:曾任成都工具研究所热处理中心主任、副所长、所长,现为西华大学材料科学与工程学院教授,博士生导师。主要研究领域为黑色金属表面改性及表面功能化的研究;数控刀具的研究。从事QPQ技术研究,在盐浴配方和工程化应用取得创新性成果。出版专著2本。QPQ技术是一种新型的无公害的盐浴表面强化技术,金属材料经两种不同盐浴的复合处理后,表面渗入多种元素,使表面同时具有优良的耐磨性和防腐性,从而显著提高零件的使用性能和寿命。QPQ技术的研发成功,填补了我国QPQ技术的空白,并使我国的该项技术达到国际领先水平。现继续深化研究QPQ技术,开发深层QPQ技术和低温QPQ技术。从事数控刀具的研究,在刀片材料、刀片结构和刀片表面改性取得成果,已为数家企业提供解决方案。 获得国家科技进步奖二等奖:QPQ盐浴复合处理技术及其成套设备;四川省科技进步奖一等奖:QPQ盐浴复合处理技术及其成套设备;四川省十大杰出青年;成都市劳动模范;四川省学术和技术带头人后备人选;四川省杰出青年学科带头人;国务院政府特贴专家。中国热处理行业协会工艺材料委员会常务理事副主任,全国热处理学会常务理事,全国热处理标准技术委员会委员。

丁士华1963年生,教授,现任西华大学材料科学与工程学院副院长。2004年获同济大学材料学工学博士学位。担任Journal of the American Ceramic Society,Journal of Materials Science and Engineering,Journal of Materials Physics and Chemistry等多家国外学术刊物审稿人。主要研究方向:电子信息材料与器件,包括微波材料与微波器件、功能电介质材料与器件、纳米光电子材料制备及性能研究。主持或参加国家973计划项目、863计划项目、自然科学基金以及省部级科研项目等10余项。在Journal of the European Ceramic Society、Ceramic International、Ferroelectrics等国内外学术刊物上发表学术论文约80余篇,被SCI、EI收录论文40余篇。

马素德1976年生,2011年4月开始在西华大学材料科学与工程学院任教。教授,四川省学术和技术带头人后备人选。主要从事功能性高分子材料的制备及应用研究。环保涂料:水性丙烯酸、聚氨酯、硝化纤维素类树脂的制备与性能研究,用于环保涂料;光固化型丙烯酸聚氨酯树脂的制备与性能研究。薄膜材料:电池隔膜、水处理膜等。储能材料:研究相变储能材料的微封装技术及新型高密度储能材料的开发。阻燃材料:新型无卤、抑烟型阻燃剂的开发及其在高分子基体中的应用研究。发表论文20余篇,近五年SCI收录8篇,EI收录8篇,参与编写专著两部。已获得授权中国发明专利13项。获得江西省科技进步一等奖一项。

周廷栋:研究员,西华大学材料学院,四川省学术和技术带头人后备人选。主要从事磁性材料研究,FeGa新型磁致伸缩材料研究以及特种金属结构材料力学性能及防腐性能研究。研究软磁材料的电磁波吸收特性,非晶纳米晶合金以及金属粉芯材料,铁氧体永磁材料。获得四川省科技进步奖三项,在Journal of Alloys and Compounds、Journal of  Magnetism and  Magnetic  Materials、材料科学与工艺、金属学报(英文版)等刊物发表论文30余篇,获授权发明专利1项。