表面多孔化微反应通道跨尺度结构的粉末分层半固态烧结溶解制造方法研究

With the advantage of large specific surface area and better coating ability for catalysts, micro-reaction channels with porous surface will be an ideal structure of micro-reactor for the in-situ hydrogen production of hydrogen fuel-cell vehicles, but an effective fabrication method for the cross-scale structure is unavailable currently. Therefore, aiming at the fabrication challenge of the cross-scale structure, semi-solid layered powder sintering and dissolution process is proposed, and its basic scientific questions and related theoretical basis will be investigated. The main innovation points of the project include: 1) semi-solid powder micro-forming is introduced into the layered powder sintering and dissolution process, and a novel method of semi-solid layered powder sintering and dissolution process is proposed; 2) research on mechanism of action between solid padding particles and semi-solid aluminum alloy slurry during the semi-solid sintering of layered powder, and establish the constitutive model for the composite material; 3) in order to realize the analysis, prediction and adjustment of spatial distribution of solid padding particles, explore their movement mechanism and distribution rules when semi-solid matrix flows, and establish their flowing theory and numerical calculation model. The process specification and related theoretical system will be completed in the project, offering a new way for the one-time forming of cross-scale structures that include the micro-reaction channels with porous surface.

表面多孔化微反应通道具有比表面积大、催化剂负载能力强等优点，是氢燃料电池汽车现场制氢微反应器的一种理想结构，但是，目前该类跨尺度结构尚缺乏一种有效的制造方法。为此，本项目针对表面多孔化微反应通道跨尺度结构的制造难题，发明了一种粉末分层半固态烧结溶解法，并对其基本科学问题和相关理论基础开展研究。项目主要创新点包括：1）将半固态粉末微成形引入粉末分层烧结溶解过程，提出了一种粉末分层半固态烧结溶解新工艺；2）研究粉末分层半固态烧结过程中固态填料颗粒与半固态铝合金浆料的作用机制，建立含固态填料颗粒的铝合金半固态复合材料的本构模型；3）探索固态填料颗粒在基体流动过程中的运动机理和分布规律，建立固态填料颗粒的流动理论和数值计算模型，实现对填料颗粒空间分布的分析预测与调控。本项目将建立粉末分层半固态烧结溶解法的工艺规范和相关理论体系，为表面多孔化微反应通道等跨尺度结构的一次成形制造提供一条新途径。

表面多孔化微反应通道具有比表面积大、催化剂负载能力强等优点，是氢燃料电池汽车现场制氢微反应器的一种理想结构，但是，目前该类跨尺度结构尚缺乏一种有效的制造方法。为此，本项目针对表面多孔化微反应通道跨尺度结构的制造难题。本项目采用理论建模、数值模拟与实验研究相结合的方法，开展了表面多孔微通道制氢反应器的结构设计与制造工艺研究，主要针对表面多孔微通道制氢反应器的制氢性能仿真、催化载体的分层粉末冷压成形多颗粒有限元建模、制造工艺参数影响规律研究以及催化载体的分层粉末半固态烧结溶解工艺研究、表面多孔形貌表征等工作展开完成如下工作：.（1）设计了一种表面多孔微通道制氢反应器新结构，并建立了其制氢过程的流体流动、传热传质流体动力学数值模型；（2）提出了一种分层粉末烧结溶解制造工艺，并建立了基于内聚力区域法的多颗粒有限元数值模型，分析了表面多孔结构的成形机理，实现了表面多孔微通道催化剂载体跨尺度结构的一次成形；（3）研究了分层复合粉末的颗粒尺寸、体积分数等冷压过程工艺参数和压制压强、烧结温度等热压烧结工艺参数对表面多孔样品性能的影响规律，实现了工艺参数的优化；（4）提出了分层粉末半固态烧结溶解工艺，基于Shima-Oyane模型建立了分层粉末半固态热压过程的理论模型，实现了分层复合粉末半固态热压过程的相对密度预测，并用于进行表面多孔微通道催化剂载体的制造；（5）成功研制了表面多孔微通道制氢反应器系统，并研究了其甲醇水蒸气重整制氢性能；（6）构建了能够在多孔形状、分布以及宏观特征等方面对实际多孔表面进行表征的分形模型；开展了流动与传热特性的有限元分析，从实验与理论研究了表面多孔参数对微反应器流动与传热特性的影响规律。.本项目共发表SCI检索期刊论文与国际会议11篇，其中sci期刊检索9篇（含top5篇），会议2篇，还有2篇SCI期刊在投，共申请国家发明专利18项（授权9项），申请实用新型专利5项（授权5项），以及国家标准一项，共培养博士后1名，博士生4名，硕士生6名。