可持续铝基杂化增强复合材料在碱性潜热储能系统中的腐蚀敏感性研究与发展

针对碱性无机相变材料(PCM)在潜热储能系统(LHES)中引发的腐蚀问题，研究人员通过3R废弃物管理策略开发了钨碳化物(WC)和赤泥(RMD)增强的可持续铝基杂化复合材料(AHRC)，系统考察了不同温度(室温/40/60°C)下0.2M NaOH溶液中的腐蚀行为。结果表明AHRCWR2硬度达61.85BHN，腐蚀速率较基体合金降低81.15%，生命周期评估显示其能耗(334.32MJ/kg)和CO2排放(39.37kg/kg)优势显著，为碱性LHES系统提供了符合SDGs 7/9/12目标的解决方案。

　　

随着可再生能源利用的持续推进，潜热储能系统(LHES)因其高能量密度特性成为平衡能源供需的关键技术。然而采用碱性无机相变材料(PCM)时，其强腐蚀性会导致系统组件快速失效，成为制约商业化应用的瓶颈。以氢氧化钠溶液为例，虽然其具有优异的储热性能，但会使传统铝合金(如AA6061)表面保护性氧化层溶解，引发严重的点蚀和晶间腐蚀。更棘手的是，系统运行温度波动会进一步加速腐蚀进程，这对LHES在太阳能热利用等场景的长期可靠性提出严峻挑战。

面对这一难题，金奈理工学院可持续材料与表面改性中心的研究团队创新性地将工业废弃物资源化与材料设计相结合。他们采用搅拌铸造工艺开发了钨碳化物(WC)和赤泥(RMD)协同增强的铝基杂化复合材料(AHRC)，通过系统研究不同配比(AHRC_WR1-3)在0.2M NaOH溶液中的腐蚀行为，发现含2wt%双相增强的AHRC_WR2展现出卓越的综合性能。这项突破性成果发表在《Sustainable Materials and Technologies》上，为开发兼具环境友好与工程适用性的储能材料提供了新范式。

研究团队采用多尺度表征与评价技术：通过FESEM-EDAX分析材料微观结构与元素分布；利用布氏硬度计测试力学性能；结合塔菲尔极化和电化学阻抗谱(EIS)评估不同温度下的腐蚀动力学；开展30天动态浸泡实验观察腐蚀产物层演变；最后采用"摇篮到坟墓"生命周期评估(LCA)量化环境效益。

【材料特性】显微分析显示WC颗粒(1-5μm)含83.44wt%钨，RMD(2-10μm)富含Fe₂O₃(42.16wt%)和Al₂O₃(24.33wt%)。AHRC_WR2呈现均匀的第二相分布，硬度达61.85BHN，较基体提升37.5%。

【腐蚀行为】电化学测试表明，AHRC_WR2在室温/40°C/60°C的腐蚀速率分别比AA6061降低81.15%、37.75%和42.60%。EIS显示其电荷转移电阻提高2个数量级，归因于致密腐蚀产物层(含Al₂O₃·3H₂O和Fe(OH)₃)的屏障效应。

【环境效益】LCA结果显示，该复合材料生产能耗(334.32MJ/kg)和CO₂排放(39.37kg/kg)显著低于传统制备工艺，每吨材料可消纳120kg工业废渣。

这项研究通过废弃物高值化利用与材料设计创新，成功解决了碱性LHES系统的材料腐蚀难题。AHRC_WR2展现的"强度-耐蚀性-可持续性"协同效应，不仅将组件寿命延长3倍以上，更通过工业废渣循环利用推动了循环经济发展。该成果为实现联合国可持续发展目标(SDGs)中"经济适用的清洁能源"(SDG7)、"产业创新"(SDG9)和"负责任消费生产"(SDG12)提供了关键技术支撑，标志着腐蚀工程向绿色化转型的重要突破。