高吸收低反射太陽能陶瓷材料的研究.pdf

1、能源利用技術在人類社會發(fā)展中占有舉足輕重的地位，但無節(jié)制的資源開發(fā)和資源的低效率利用，使人類面臨著史無前例的考驗。眾所周知，太陽能量取之不盡、用之不竭，且以獨具的儲量無限性、存在的普遍性、開發(fā)利用的清潔性，使其成為了各國競相研究的熱點。本文針對太陽能熱發(fā)電核心部位吸熱器，制備了高吸收低反射太陽能陶瓷材料。
　　 以碳化硅及合成莫來石微粉為原料，制備了莫來石結合碳化硅陶瓷。測定了莫來石結合碳化硅材料的顯氣孔率、吸水率、體積密度、抗

2、折強度、熱膨脹系數(shù)等一系列理化性能，研究結果表明，隨莫來石添加量增加，樣品氣孔率、吸水先減小后增大，體積密度與抗折強度先增大后減小。樣品的增重率隨莫來石添加量增多及燒成溫度的升高而增大；樣品亮度隨莫來石添加量增多先降低后增大。合成莫來石添加量為20％，經(jīng)1380℃燒成樣品的氣孔率、吸水率最低，體積密度最大，分別為17％、10.88％和2.13g·cm-3，其抗折強度達69.62MPa，熱膨脹系數(shù)為5.4×10-6℃-1。樣品熱震循環(huán)(1

3、000℃～室溫)30次無裂紋、30次后強度不減反而增加了64.45％，最佳樣品的太陽吸收率為0.80，熱發(fā)射率為0.91。XRD分析表明材料的主晶相為α-SiC、莫來石(3Al2O3·2SiO2)，并有少量的方石英(SiO2)；樣品增重率為7.49％，亮度值為46.61，材料具有良好的抗氧化性能，SEM研究其微觀形貌，莫來石作為結合相在硅酸鹽玻璃相的作用下形成三維的網(wǎng)狀保護層包裹在碳化硅表面，阻止碳化硅進一步氧化。
　　 以鋰輝

4、石、山東石英、星子高嶺土為原料，制備了鋰輝石低膨脹陶瓷。樣品的氣孔率、吸水率隨燒成溫度升高先降低后升高。相同溫度下，樣品的體積密度隨高嶺土含量增加而增大。樣品的抗折強度隨燒成溫度升高先增大后降低。最佳配方L3組成為：鋰輝石70％，星子高嶺土10％，山東石英20％，經(jīng)1330℃燒成樣品L3綜合性能最佳，Pa、Wa和D分別為0.79％、0.38％和2.09g·cm-3，體積收縮率為17.2％，其抗折強度為45.83MPa，其熱膨脹系數(shù)為0.

5、86×10-6℃-1(0～900℃)。熱震后析出的針棒狀莫來石及形成的微裂紋使樣品的抗折強度不降反增，經(jīng)1320℃燒成樣品L3熱震10次時，抗折強度最高為46.38MPa，增幅達200.78％，樣品具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性能。XRD分析結果表明最佳樣品主晶相為β-鋰輝石(Li20·Al2O34·SiO2)，SEM分析表明樣品主晶相β-鋰輝石固溶體由玻璃相連接在一起，少量的石英顆粒分布于β-鋰輝石表面，同時針棒狀的莫來石分布于孔洞周圍，起增韌作

6、用。高嶺石自400℃開始脫去結晶水轉變?yōu)槠邘X石；800～900℃期間α-鋰輝石轉變?yōu)棣?鋰輝石，體積膨脹30％，偏高嶺石轉化繼續(xù)；1000℃后，一方面，偏高嶺石轉變?yōu)槟獊硎笆⒁合鄠髻|，促進燒結，另一方面β-鋰輝石開始固溶游離二氧化硅，生成固溶體，由莫來石與石英組成的玻璃相作為結合相將鋰輝石粘結起來賦予樣品強度，經(jīng)1330℃燒成樣品燒結致密，鋰輝石固溶體結晶趨于完整，使樣品具有較低的熱膨脹系數(shù)。三個配方樣品的熱膨脹系數(shù)均小于2×10

7、-6℃-1，符合低膨脹陶瓷的要求。
　　 以鋰輝石低膨脹陶瓷最佳配方L3與莫來石結合碳化硅陶瓷最佳配方B2進行復合，制備碳化硅-鋰輝石復相吸熱陶瓷。樣品的氣孔率、吸水率隨燒成溫度升高而升高，體積密度呈相反趨勢。樣品的抗折強度隨復合比增大而降低。經(jīng)1320℃燒成樣品BL2綜合性能最佳，Pa、Wa.和D分別為24.67％、11.81％和2.09g·cm-3，體積收縮率為-5.63％，其抗折強度為66.47MPa，35.3℃時樣品BL

8、2的熱導率為3.81W·(m·K)-1。其配方組成為：碳化硅含量為72％，莫來石為18％，鋰輝石含量為7％，星子高嶺土為1％，山鋁石英含量為2％。XRD分析樣品主晶相為α-碳化硅(SiC)和合成莫來石(3Al2O3·2SiO2)，并含有少量的方石英(SiO2)和鋰輝石(Li2O·Al2O3·4SiO2)。SEM分析認為主晶相SiC起著骨架作用，而熔融的β-鋰輝石填充于空隙之間，將SiC粘結起來，賦予樣品強度。最佳配方BL2的熱膨脹系數(shù)為

9、4.55×10-6℃-1(0～900℃)，達到了調節(jié)熱膨脹系數(shù)，提高材料熱穩(wěn)定性的目的。最佳樣品BL2的太陽能吸收率α為0.83，熱發(fā)射率ε為0.91，與B2的太陽能吸收率0.80相比，樣品太陽能吸收率得到提高，但熱發(fā)射率仍較高。
　　 為進一步降低熱發(fā)射率，以五水四氯化錫為前驅體，采用溶膠凝膠法制備了SnO2溶膠，以最佳樣品BL2為基體，并分別采用旋轉鍍膜法及浸漬提拉法在基體上涂覆SnO2薄膜，制備了涂覆SnO2薄膜的碳化硅.

10、鋰輝石復相吸熱陶瓷。結合差熱-熱重分析(TG-DTA)、X射線衍射分析(XRD)、掃面電鏡分析(SEM)及紫外-可見-紅外(UV-Vis-IR)反射光譜分析，薄膜的主晶相為錫石(SnO2)，最佳的熱處理溫度為600℃，基體表面分布厚度0.5～1μm的SnO2薄膜，SnO2結晶完整，薄膜在基體表面分布均勻并與基體結合良好。SnO2薄膜對樣品的熱發(fā)射率具有降低作用，合適的溶膠粘度及涂膜層數(shù)有助于太陽能吸收率α的提高。SnO2薄膜在可見光和近