Ca-Mg-Al-Si系A(chǔ)l2O3陶瓷太陽(yáng)能輸熱管道的研究.pdf

1、由于上個(gè)世紀(jì)70年代石油危機(jī)的暴發(fā)，以及無(wú)節(jié)制的開(kāi)采資源帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題，太陽(yáng)能等可再生能源得到人們的重視。而在太陽(yáng)能的利用中太陽(yáng)能熱發(fā)電能夠有效解決當(dāng)前能源、資源和環(huán)境等諸多復(fù)雜問(wèn)題，是最有可能引發(fā)能源革命的技術(shù)成果之一。塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)效率高，是最有可能實(shí)現(xiàn)大功率發(fā)電的太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)。輸熱管道是塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中十分重要的部件，要求輸熱管道能耐1000℃以上的高溫并要求其具有良好的抗熱震性能。目前，太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的輸熱管道

2、大都采用的合金管道，合金管道抗熱沖擊差且耐腐蝕性差。因此，研制性能優(yōu)良的輸熱管道材料對(duì)實(shí)現(xiàn)高效、大功率的太陽(yáng)能熱發(fā)電具有重大意義。
　　 針對(duì)這一課題，本文研制了燒成溫度低、燒成溫度范圍寬、熱震性能好的耐高溫的Ca-Mg-Al-Si系A(chǔ)l2O3基復(fù)相陶瓷輸熱管道材料及其匹配的連接劑。分析探討了不同的配方組成和燒結(jié)溫度對(duì)Ca-Mg-Al-Si系A(chǔ)l2O3基復(fù)相陶瓷材料的結(jié)構(gòu)、性能的影響。實(shí)驗(yàn)中對(duì)材料的燒成線收縮、Wa(Pa、D)、

3、抗折強(qiáng)度、熱膨脹系數(shù)、熱震性等基本理化性能進(jìn)行了測(cè)試，采用XRD、SEM、EPMA等現(xiàn)代測(cè)試分析手段對(duì)樣品的晶相、微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)試分析。
　　 以α-Al2O3、高嶺土、方解石、滑石、石英為主要原料，并添加鋰輝石和硼酸作為燒結(jié)助劑，采用無(wú)壓燒結(jié)法制備用于太陽(yáng)能熱發(fā)電Ca-Mg-Al-Si系A(chǔ)l2O3基復(fù)相陶瓷，分析探討了樣品的配方組成和燒結(jié)溫度對(duì)Ca-Mg-Al-Si系A(chǔ)l2O3基復(fù)相陶瓷材料結(jié)構(gòu)和性能的影響。結(jié)果表明:經(jīng)13

4、80℃燒結(jié)A5(α-Al2O370.44wt％、高嶺土5.97 wt％、方解石7.06 wt％、滑石12.83 wt％、石英3.7 wt％、硼酸3wt％）樣品性能優(yōu)良，樣品的Wa、Pa和D分別為0.25％、0.73％和2.96g.cm-3，抗折強(qiáng)度為180.84 MPa，經(jīng)30次熱震（室溫～1100℃，氣冷）后，樣品無(wú)裂紋、不開(kāi)裂，強(qiáng)度不僅沒(méi)有損失，反而增加了4.88％。相組成分析表明，A5樣品的晶相為剛玉、鎂鋁尖晶石、鈣長(zhǎng)石和少量的石

5、英。SEM研究結(jié)果表明，鎂鋁尖晶石的生成，形成“釘扎效應(yīng)”，有利于氧化鋁晶粒的細(xì)化。同時(shí)這些氧化鋁小顆粒形成“蠕蟲狀”連接，提高樣品的抗折強(qiáng)度。熱震分析結(jié)果表明，添加硼酸能在樣品中形成硼硅酸鹽玻璃，有利于提高樣品的抗熱震性，但添加量也不能過(guò)多，最佳添加量為3wt％。
　　 以煅燒鋁礬土、方解石、燒滑石、工業(yè)氧化鋁、超細(xì)ZrO2(PSZ)為主要原料，采用無(wú)壓燒結(jié)法制備用于太陽(yáng)能熱發(fā)電Ca-Mg-Al-Si系A(chǔ)l2O3基復(fù)相陶瓷，分

6、析探討了樣品的配方組成和燒結(jié)溫度對(duì)Ca-Mg-Al-Si系A(chǔ)l2O3基復(fù)相陶瓷材料結(jié)構(gòu)和性能的影響。結(jié)果表明:經(jīng)1400℃燒結(jié)B2(煅燒鋁礬土70 wt％、燒滑石16.86wt％、工業(yè)氧化鋁13.14 wt％、超細(xì)ZrO2(PSZ)10 wt％、方解石3wt％）樣品性能優(yōu)良，樣品的Wa、Pa和D分別為0.13％、0.4％和3.2g.cm-3，抗折強(qiáng)度為161.49 MPa，經(jīng)30次熱震（室溫～1100℃，氣冷）后，樣品無(wú)裂紋、不開(kāi)裂，強(qiáng)

7、度不僅沒(méi)有損失，反而增加了12.05％。相組成分析表明，B2樣品的晶相為剛玉、鎂鋁尖晶石、單斜氧化鋯和少量的石英。SEM研究結(jié)果表明，鎂鋁尖晶石的生成，形成“釘扎效應(yīng)”，有利于氧化鋁晶粒的細(xì)化。同時(shí)在剛玉晶體上可以看出“拔出”現(xiàn)象留下的孔洞，有利于提高樣品的抗折強(qiáng)度。熱震分析結(jié)果表明，添加超細(xì)ZrO2(PSZ)能有效提高樣品的抗熱震性，氧化鋯的增韌主要是微裂紋增韌。
　　 以管道基材B2坯粉和低溫熔劑為主要原料，制備了Ca-Mg

8、-Al-Si系A(chǔ)l2O3陶瓷太陽(yáng)能輸熱管道連接劑，探討了熔劑的添加量、連接劑相組成和微觀結(jié)構(gòu)對(duì)連接性能的影響。結(jié)果表明:采用配方C3連接劑(管道坯粉30 wt％，熔劑2001為70wt％)連接管道基材，經(jīng)1100℃燒成的連接件的剪切強(qiáng)度最大，為39.14MPa，但熱震（室溫～1100℃，氣冷）2次破裂。從潤(rùn)濕實(shí)驗(yàn)來(lái)看，采用管道基材和熔劑制備的連接劑來(lái)連接管道材料是可行的，同時(shí)熔劑的添加量越多對(duì)管道基材的潤(rùn)濕性越好。從連接強(qiáng)度來(lái)看，熔劑添