Nature:陶瓷泵传输熔融金属的温度创新高

诸平

据佐治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)2017年10月11日提供的消息，美国佐治亚理工学院的研究人员与美国斯坦福大学（Stanford University）以及普渡大学（Purdue University）的研究人员合作，研发的陶瓷泵输送熔融金属的温度创新高，达到1400 ℃。  

Fig. 1 Liquid metal flowing at 1400 degrees Celsius in the laboratory of Asegun Henry at Georgia Tech. Even though all the surrounding materials are glowing, the tin remains reflective and the ripples from the pool of tin below are visible via reflections from the stream. Credit: Caleb Amy, Georgia Tech

图1就是佐治亚理工学院迦勒·艾米（Caleb Amy）提供的照片。是来自佐治亚理工学院阿塞根·亨利实验室的照片，尽管所有周围的材料是炽热发光,流动的金属温度达到1400 ℃，但是残余锡仍反射以及从锡池流动的涟漪依然清晰可见。

一种以陶瓷为基础的机械泵能在创记录高温下进行操作，温度超过1400 ℃(相当于1673 K)。可以传输高温液体如熔化状态的锡,有望成为新一代的能源转换和存储系统。

新泵可以促进高效、低成本蓄热,为风能和太阳能等可再生能源的存储提供了一种新方式,促进直接从燃料如甲烷等制氢过程的改进，而且无CO₂生产。机械系统使用陶瓷组件,通常考虑到的就是其质脆易碎,而且需要通过精密加工才能制得可供机械系统使用的配件，同时需要由另一个高温材料即石墨来密封。

美国佐治亚理工学院的研究人员与美国斯坦福大学（Stanford University）以及普渡大学（Purdue University）的研究人员合作完成的最新研究成果，得到了高级研究计划局-能源（Advanced Research Projects Agency - Energy, ARPA-E）的支持，相关研究结果于2017年10月11日已经在《自然》（Nature）网站发表——C. Amy, D. Budenstein, M. Bagepalli, D. England, F. DeAngelis, G. Wilk, C. Jarrett, C. Kelsall, J. Hirschey, H. Wen, A. Chavan, B. Gilleland, C. Yuan, W. C. Chueh, K. H. Sandhage, Y. Kawajiri, A. Henry. Pumping liquid metal at high temperatures up to 1,673 kelvin. Nature, 2017, 550: 199-203. doi: 10.1038/nature24054. Published online: 11 October 2017. nature.com/articles/doi:10.1038/nature24054

佐治亚理工学院伍德拉夫机械工程学院（Georgia Tech's Woodruff School of Mechanical Engineering）助理教授阿塞根·亨利说：“直到现在,我们已经有一个上限的最高温度，我们可以移动加热和储存热量,所以这个演示实际上就是能源进步,尤其是可再生能源。我们可以操作的温度越高,我们就可以更有效地存储和利用热能。这项工作将为基础设施提供一个跳跃式的变化,因为现在我们可以使用最高的温度材料来传递热量。这些材料也在地球上最难之材。”

Fig. 2 Georgia Tech Graduate Student Caleb Amy shows how two ceramic gears mesh in a pump developed to transfer molten tin at more than 1,400 degrees Celsius. Credit: Christopher Moore, Georgia Tech

图2是佐治亚理工学院研究生迦勒·艾米显示新开发的在1400 ℃以上传输熔锡陶瓷泵中两个陶瓷齿轮是如何啮合的。热能对于发电以及许多工业过程来说是至关重要的，当然在高温是最有价值的,因为高温熵下降，而熵使得热能无法转换。液态金属如熔锡和熔融硅可以用于热存储和传输,但迄今为止,工程师尚未得到能够承受如此极端温度的泵和管道。亨利说：“如果可以操作的温度越高,就可以将热能转化为机械能或电能的效率越高。但当容器材料如金属变热时,其性能就会变软,因此限制了整个基础设施难以实现高温操作。”

陶瓷材料可以承受高温,但其很脆,许多研究人员认为陶瓷不能用于像泵这样的机械。但亨利和研究生迦勒·艾米决定挑战这种已有的结论，试图研制出陶瓷泵。迦勒·艾米也是发表于《自然》杂志论文的第一作者。亨利说：“我们不信陶瓷泵它不会工作,但是多次实验结果它就是不行。”

研究人员使用了一个外部齿轮泵,它使用旋转齿轮齿在液体锡中吸入，再将其从一个出口推出来。此技术不同于离心泵和其他泵技术,但亨利选择了它是因为其简单性以及在相对较低速度下的可以操控能力。这些齿轮是由商业供应商定制的，但是改进是由佐治亚理工大学亨利实验室完成的。

Fig. 3 Graduate Student Caleb Amy pours molten tin into a crucible in the laboratory of Asegun Henry at Georgia Tech. A new ceramic-based pump designed and tested at Georgia Tech was used to transfer molten tin at more than 1,400 degrees Celsius. Credit: Christopher Moore, Georgia Tech

图3是研究生迦勒·艾米在佐治亚理工学院亨利实验室将熔锡倒入坩埚的照片。一个新的以陶瓷为基础的泵设计和测试已经在美国佐治亚理工学院完成，将其用来传输温度超过1400 ℃的熔融锡。亨利说：“在过去几十年究竟什么是新颖的，那就是我们制造不同陶瓷材料的能力，使大块材料切成可以加工的材料。陶瓷材料仍然是很脆的,因此用于工程你不得不小心谨慎,现在已经证明我们当初的想法没有错，陶瓷泵是可以正常工作的。”

佐治亚理工学院的研究人员并不满足已经取得的成就，他们又将目光转移到另一种高温材料——石墨，准备迎接新的挑战。他们将石墨形成泵的密封圈、管道以及接头。密封材料通常由柔性聚合物制得,但是其不能承受高温。亨利和艾米利用石墨的特殊性-柔性和强度来制造泵的密封材料。泵在氮气环境中运行,以防在极端温度条件下氧化。

在平均温度为1473 K,陶瓷泵以每分钟几百转的速度连续运转了72 h。在其它试运行实验中，也有简短操作温度达到1773 K的。因为研究人员为了便于加工使用一种被称为Shapal的相对软一些的陶瓷,泵的持续磨损。但亨利说,其他硬度更大的陶瓷将会克服这个问题,而且该团队已经致力于一种由碳化硅材料制作的新泵研究。对于高温泵而言，在最有趣的应用将是对可再生能源产生的剩余能量的低成本网格存储，这是可再生能源在储存网格上渗透的最大挑战之一。由太阳能或风能资源产生的电力，可以用来加热熔融硅,制造热存储,然后在需要的时候可以用来发电。

亨利说：“看起来或许以热的形式来储存能量可能比现有的任何其他形式的储能更便宜,这将使我们能够创建一种新型电池。当你有多余电时可以将其储存起来,当需要它时再取回储存的电力。”

佐治亚理工学院的研究人员也在考虑他们的熔融金属泵，作为由甲烷制氢而不产生二氧化碳系统的一部分。因为液态锡不与碳氢化合物反应，将甲烷以气泡的形式鼓入到液态锡之中使其裂解，产生氢和固体碳——没有温室气体二氧化碳的生成。

陶瓷泵也可以用于聚光太阳能发电，允许更高的操作温度,也就是目前使用熔融盐的地方。液态锡和陶瓷的结合优势就在于能够在高温下运转而没有腐蚀,使效率更高、成本更低。

陶瓷泵使用齿轮的直径恰好是36 mm,但亨利说将其扩大到工业处理并不需要显著较大的组件。例如,通过增加泵尺寸只有四或五倍，操作陶瓷泵接近最大额定转速，可以转移的总热量从10 kW提高到100 MW,这将符合大规模储能电站的效用率。

对于存储、熔融硅来说，仍然具有更高的温度，可能是更有用,因为其成本较低。亨利说佐治亚理工学院等合作研究的陶瓷泵，可以比目前已经证明的更高温度环境下进行工作，甚至超过2000 ℃。更多信息请注意浏览原文或者相关报道：

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Abstract

Heat is fundamental to power generation and many industrial processes, and is most useful at high temperatures because it can be converted more efficiently to other types of energy. However, efficient transportation, storage and conversion of heat at extreme temperatures (more than about 1,300 kelvin) is impractical for many applications. Liquid metals can be very effective media for transferring heat at high temperatures, but liquid-metal pumping has been limited by the corrosion of metal infrastructures. Here we demonstrate a ceramic, mechanical pump that can be used to continuously circulate liquid tin at temperatures of around 1,473–1,673 kelvin. Our approach to liquid-metal pumping is enabled by the use of ceramics for the mechanical and sealing components, but owing to the brittle nature of ceramics their use requires careful engineering. Our set-up enables effective heat transfer using a liquid at previously unattainable temperatures, and could be used for thermal storage and transport, electric power production, and chemical or materials processing.