提高太陽能吸熱器用SiC基復相陶瓷材料抗氧化性能的研究.pdf

1、石油、煤炭、天然氣等傳統(tǒng)化石能源正日益枯竭，而人類的發(fā)展對能源需求的不斷增加，能源緊缺問題迫在眉睫。世界各國采取了可再生能源替代傳統(tǒng)化石能源的一系列措施，太陽能熱發(fā)電技術(shù)正是在此背景發(fā)展的一種有效解決能源短缺問題的方法。本文依托國家973項目，針對塔式太陽能熱發(fā)電中吸熱材料存在的抗氧化性能、抗熱震性能較差的問題，開展了以下研究。
　　本文以丹江口SiC、新疆庫爾勒紅柱石、高邑Si3N4為主要原料設(shè)計莫來石-SiC系和Sialon-

2、Si3N4-SiC系復相陶瓷材料的組成，分別采用埋粉燒結(jié)法和埋粉不接觸燒結(jié)法制備了兩個不同體系的吸熱體材料，并采用溶膠-凝膠法制備了與基體材料熱膨脹系數(shù)相匹配的抗氧化涂層。采用現(xiàn)代測試技術(shù)測試了燒成樣品的物理性能，著重分析影響樣品抗氧化性能、抗熱震性能的因素，采用XRD、SEM、EDS等測試技術(shù)表征了樣品的相組成和微觀結(jié)構(gòu)。探討了配方組成、制備工藝、改性方法對樣品結(jié)構(gòu)與性能的影響，研究了提高樣品抗氧化性能的機理。
　　以丹江口Si

3、C和新疆庫爾勒紅柱石為主要原料，設(shè)計了莫來石結(jié)合SiC復相材料的配方組成，采用埋粉燒結(jié)法制備莫來石結(jié)合SiC復相材料。結(jié)果表明燒成氣氛、鋁源種類對合成莫來石-SiC系復相材料結(jié)構(gòu)、性能的影響顯著，不同燒成氣氛下性能最佳的配方樣品引入鋁源不同。還原氣氛下，D系列性能最佳的配方組成為D4，最佳的鋁源為α-Al2O3，氧化氣氛下則以γ-Al2O3為鋁源的D1配方組成性能最佳，但在氧化氣氛中制備莫來石結(jié)合SiC復相材料，會產(chǎn)生多余的方石英相，難

4、以獲得預期的物相組成。
　　為進一步提高莫來石結(jié)合SiC復相材料的抗氧化性及抗熱震性，選擇丹江口SiC、新疆庫爾勒紅柱石和α-Al2O3為主要原料，外加少量MnO2對D4配方進行改性，設(shè)計采用埋粉燒結(jié)法制備了D4系列配方樣品并進行性能測試。結(jié)果表明，降低紅柱石粉料的粒徑和引入MnO2有助于莫來石-SiC系復相材料各項性能的提升，添加0.2wt％MnO2有助于樣品抗氧化性能的提高。D4系列最佳配方組成為D4-1（24wt％150目S

5、iC、32wt％320目SiC、24wt％700目紅柱石、20wt％α-Al2O3，外加3wt％Y2O3、0.2wt％MnO2），D4-1配方樣品燒成溫度范圍為1480～1520℃，1300℃下10h氧化增重為7.0972mg/cm2。D4-1配方樣品于最佳燒成溫度燒成樣品的氣孔率為18.04％，吸水率為7.64％，體積密度為2.42g/cm3，燒成收縮率為1.52％。熱震實驗結(jié)果表明，經(jīng)室溫～1100℃熱循環(huán)30次，樣品強度不降反增，

6、增強幅度為27.84％，熱震30次樣品無裂紋出現(xiàn)。D4-1配方樣品的熱膨脹系數(shù)為7.205×10-6/℃，31.5℃時導熱系數(shù)為8.32W/(m·K)，比熱容為0.64J/g·K，熱擴散系數(shù)為5.05×10-2cm2/s。對樣品氧化增重行為的研究發(fā)現(xiàn)，提高樣品致密度、降低氣孔率是提高抗氧化性能的有效途徑。
　　以丹江口SiC和高邑Si3N4為主要原料設(shè)計了G系列配方組成，為避免石墨埋粉與Si3N4反應(yīng)，采用埋粉不接觸樣品的方法制備

7、了Sialon/Si3N4結(jié)合SiC復相材料。結(jié)果表明在埋粉不與樣品接觸的條件下，燒成溫度和鋁源對影響O'-Sialon-Si3N4-SiC系復相材料的結(jié)構(gòu)、性能影響顯著。G系列綜合性能最佳配方為G2（25.71wt％150目SiC、34.29wt％320目SiC、28wt％高邑Si3N4、8.91wt％石英、14.04wt％莫來石微粉，3wt％外加Y2O3），G2配方樣品的燒成溫度范圍為1520～1540℃，于最佳燒成溫度燒成樣品的氣

8、孔率為27.10％，吸水率為11.45％，體積密度為2.23g/cm3;燒成收縮率為2.53％，抗折強度為62.66MPa。熱震實驗結(jié)果表明，經(jīng)30次樣品熱震的強度不降反增，增強幅度為9.11％。樣品熱震30次無裂紋，樣品抗熱震性能較好。1100℃下100h氧化增重為20.9659mg/cm2，1520℃燒成G2配方樣品的熱膨脹系數(shù)為5.441×10-6/℃。G系列樣品的抗氧化性能差異分析表明，若引入的鋁源含助熔劑較多，樣品的初始氧化速

9、率較大，但氧化后期樣品氧化速率的降低幅度更大，因此引入燒結(jié)助劑有助于抗氧化性能的提高。
　　選擇G2配方樣品進行了表面涂層改性研究。Al(NO3)3·9H2O為主要原料，采用溶膠-凝膠法制備了穩(wěn)定的SiO2-Al2O3復合溶膠。對穩(wěn)定溶膠制備機理的研究發(fā)現(xiàn)，采用溶膠-凝膠法制備的SiO2-Al2O3復合溶膠化學穩(wěn)定性好，溶膠可密封保存1個月以上。反應(yīng)溫度、pH值、膠溶劑添加量和反應(yīng)時間是影響復合溶膠透明穩(wěn)定的主要因素。制備TEOS

10、（正硅酸乙酯）溶液的水解溫度和Al(OH)3懸浮液膠溶攪拌時的溫度分別為50℃和85℃;在TEOS水解溶液的制備過程中的pH值控制在2～3之間;HNO3膠溶劑的添加量和濃度，應(yīng)以1mol/L的HNO3控制溶液中n(H+)∶n(Al3+)=0.28（摩爾比）為宜。TEOS的水解溶液加入Al(OH)3懸浮液后的攪拌時間和Al(OH)3懸浮液的加熱攪拌時間均為2h。浸漬法鍍膜2次及熱處理后即可獲得厚度為2μm的莫來石涂層。對表面改性樣品進行了

11、抗氧化性能和吸水率、氣孔率的測試。結(jié)果表明，改性后樣品獲得了良好的抗氧化性能，改性后樣品1100℃下保溫100h的氧化增重為8.908mg/cm2，氧化增重降低了一倍以上;改性后樣品吸水率、氣孔率均有降低，且隨著浸漬次數(shù)的增加，降低的程度不斷減小。
　　對SiC基復相陶瓷抗氧化機理的研究表明，提高樣品致密度，減少氧化作用的有效面積是提高樣品抗氧化性能的有效途徑。因此可通過降低原料粒徑、添加助熔劑的方法促進樣品液相燒結(jié)致密化;此外，