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

1、開發(fā)和利用包括太陽能在內的可再生能源是解決能源危機和環(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技術制備了性能優(yōu)異的MgAl2O4結合Si3N4復相陶瓷吸熱體材料。研究了材料組成、制備工藝、結構與性能之間的關系以及材料

2、的合成機理。探討了Sm2O3、TiO2及二者復合對材料結構和性能的影響規(guī)律及其在燒成過程中的作用機制。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理。利用 ANSYS Workbench軟件研究了吸熱體的幾何特性對空氣介質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：
　　（1）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化而來，伴隨大量液相產生，樣品燒成溫度范圍窄（1380~1400℃）。α-Al2O3和MgO在1000℃以下便反應生成MgAl2O4，隨著溫度升高合成量增加，結晶度提高，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合相。

4、>　　（2）在（1）的基礎上制備了MgAl2O4-Si3N4復相陶瓷，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，使樣品細晶化、致密化。MgAl2O4的含量以30 wt%左右為宜，經1620℃燒成樣品的抗折強度為198.85 MPa。30次熱震后（1100℃~室溫，風冷）強度增加了24.49%。100 h氧化后（1300℃）的增重率為2.87 mg·cm-2、氧化速率常數為3.40×10-3

5、 mg2·cm-4·h-1。樣品在0.30~2.50μm波長范圍內的太陽光吸收率為89.50%。隨著MgAl2O4合成量增加，復相陶瓷的氧化機制由“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。
　　（3）通過添加Sm2O3顯著提高了MgAl2O4-Si3N4復相陶瓷的致密度、強度和抗熱震性能。Sm2O3能促進MgAl2O4的原位合成、Si3N4的晶型轉變及其長徑比的增加，賦予樣

6、品更高的致密度和強度。最佳添加量為1 wt%，經1620℃燒成樣品的顯氣孔率低至0.50%、抗折強度達到339.42 MPa、太陽光吸收率為90.50%。30次熱震后抗折強度增加了2.60%，達到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生和微裂紋增韌機制。
　?。?）通過添加TiO2明顯提高了

7、MgAl2O4-Si3N4復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1620℃燒成樣品的體積密度達到2.95 g·cm-3、抗折強度為319.73 MPa、太陽光吸收率達到91.40%，熱導率為13.27 W/(m·K)。30次熱震后抗折強度增加了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+后在結構中產生陽離子空位從而提高樣品的太陽光吸收率。Sm2O3和TiO2復合添加劑雖然能夠降低MgAl2O4-Si3N4復相陶瓷燒成溫度，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1620℃燒成樣品的顯氣孔率為2.85%、軸向抗壓強度為19.37 MPa。30次熱震后蜂窩陶瓷形貌完好，致密度和抗壓強度提高。經過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。
　?。?）利用ANSYS Workbench軟件對空氣工質在蜂窩陶瓷吸熱體中的溫度場分布和出口溫度進行了模擬計算。結果顯示，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