用于太陽能熱發(fā)電吸熱器的MgAl2O4-Si3N4復(fù)相陶瓷的研究.pdf

1、開發(fā)和利用包括太陽能在內(nèi)的可再生能源是解決能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的重要途徑。作為塔式太陽能熱發(fā)的核心，吸熱體材料的性能直接影響系統(tǒng)工作效率。然而，目前使用的吸熱體材料存在種類單一、高溫抗熱沖擊性能和抗氧化性能差、太陽光吸收率低等不足，嚴(yán)重制約了系統(tǒng)工作溫度和熱發(fā)電效率。本文創(chuàng)新地采用原位合成法和多粉體分層埋粉無壓燒結(jié)技術(shù)制備了性能優(yōu)異的MgAl2O4結(jié)合Si3N4復(fù)相陶瓷吸熱體材料。研究了材料組成、制備工藝、結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系以及材料

2、的合成機(jī)理。探討了Sm2O3、TiO2及二者復(fù)合對材料結(jié)構(gòu)和性能的影響規(guī)律及其在燒成過程中的作用機(jī)制。揭示了提高材料物理性能、抗熱震性能、抗氧化性能和太陽光吸收率的途徑和機(jī)理。利用 ANSYS Workbench軟件研究了吸熱體的幾何特性對空氣介質(zhì)在吸熱體中的溫度場分布和出口溫度的影響，獲得了影響規(guī)律。主要研究成果如下：
　?。?）利用煅燒鋁礬土、滑石、α-Al2O3和MgO等原料組合制備了MgAl2O4陶瓷。以礦物原料為鋁源和鎂

3、源的樣品燒成溫度低，MgAl2O4由低溫下合成的堇青石轉(zhuǎn)化而來，伴隨大量液相產(chǎn)生，樣品燒成溫度范圍窄（1380~1400℃）。α-Al2O3和MgO在1000℃以下便反應(yīng)生成MgAl2O4，隨著溫度升高合成量增加，結(jié)晶度提高，樣品性能提高。最佳燒成溫度為1540℃，樣品的顯氣孔率為0.34％、抗折強(qiáng)度為115.63 MPa。MgAl2O4的合成溫度范圍寬（1200~1560℃），耐高溫性好，是提高Si3N4抗氧化性能的較佳結(jié)合相。

4、>　　（2）在（1）的基礎(chǔ)上制備了MgAl2O4-Si3N4復(fù)相陶瓷，其性能優(yōu)于相同條件下制備的Si3N4陶瓷。原位合成MgAl2O4能抑制Si3N4晶粒長大，使樣品細(xì)晶化、致密化。MgAl2O4的含量以30 wt%左右為宜，經(jīng)1620℃燒成樣品的抗折強(qiáng)度為198.85 MPa。30次熱震后（1100℃~室溫，風(fēng)冷）強(qiáng)度增加了24.49%。100 h氧化后（1300℃）的增重率為2.87 mg·cm-2、氧化速率常數(shù)為3.40×10-3

5、 mg2·cm-4·h-1。樣品在0.30~2.50μm波長范圍內(nèi)的太陽光吸收率為89.50%。隨著MgAl2O4合成量增加，復(fù)相陶瓷的氧化機(jī)制由“鈍化氧化”向“活化氧化”過渡，過高的MgAl2O4含量（大于30 wt%）使樣品的抗氧化性能下降。
　?。?）通過添加Sm2O3顯著提高了MgAl2O4-Si3N4復(fù)相陶瓷的致密度、強(qiáng)度和抗熱震性能。Sm2O3能促進(jìn)MgAl2O4的原位合成、Si3N4的晶型轉(zhuǎn)變及其長徑比的增加，賦予樣

6、品更高的致密度和強(qiáng)度。最佳添加量為1 wt%，經(jīng)1620℃燒成樣品的顯氣孔率低至0.50%、抗折強(qiáng)度達(dá)到339.42 MPa、太陽光吸收率為90.50%。30次熱震后抗折強(qiáng)度增加了2.60%，達(dá)到348.23 MPa。氧化100 h后樣品的增重速率為2.68 mg·cm-2，氧化速率常數(shù)為1.75×10-2 mg2·cm-4·h-1。良好的抗熱震性能得益于熱震過程中液相的產(chǎn)生和微裂紋增韌機(jī)制。
　　（4）通過添加TiO2明顯提高了

7、MgAl2O4-Si3N4復(fù)相陶瓷的抗氧化性能和太陽光吸收率。最佳添加量為2 wt%，經(jīng)1620℃燒成樣品的體積密度達(dá)到2.95 g·cm-3、抗折強(qiáng)度為319.73 MPa、太陽光吸收率達(dá)到91.40%，熱導(dǎo)率為13.27 W/(m·K)。30次熱震后抗折強(qiáng)度增加了1.46%。100 h氧化后的增重速率僅為0.89 mg·cm-2，氧化速率常數(shù)低至2.00×10-3 mg2·cm-4·h-1。Ti4+半徑小于Sm3+，在相同條件下向表

8、面遷移少，樣品氧化增重減小，抗氧化性能提高。Ti4+取代Al2O3中Al3+后在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生陽離子空位從而提高樣品的太陽光吸收率。Sm2O3和TiO2復(fù)合添加劑雖然能夠降低MgAl2O4-Si3N4復(fù)相陶瓷燒成溫度，提高太陽光吸收率，但樣品的抗氧化性能降低。
　?。?）研制了適用于塔式太陽能熱發(fā)電吸熱體材料的MgAl2O4-Si3N4蜂窩陶瓷。在添加2 wt%TiO2的基體配方中外加不同添加劑，泥料含水量為23-26 wt%時能夠制

9、得性能優(yōu)良的蜂窩陶瓷吸熱體。經(jīng)1620℃燒成樣品的顯氣孔率為2.85%、軸向抗壓強(qiáng)度為19.37 MPa。30次熱震后蜂窩陶瓷形貌完好，致密度和抗壓強(qiáng)度提高。經(jīng)過500 h熱循環(huán)（1300℃~室溫）后蜂窩陶瓷吸熱體的增重率僅為6.15%，且性能無明顯衰減。
　　（6）利用ANSYS Workbench軟件對空氣工質(zhì)在蜂窩陶瓷吸熱體中的溫度場分布和出口溫度進(jìn)行了模擬計算。結(jié)果顯示，不同孔型吸熱體在高溫下的溫度場分布均勻。在空氣流量相