太陽(yáng)能熱發(fā)電吸熱器用SiC-Sialon復(fù)相陶瓷的制備、結(jié)構(gòu)與性能.pdf

1、可再生能源利用是解決當(dāng)前能源危機(jī)的重要途徑。塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)因可清潔、高效利用太陽(yáng)能而備受關(guān)注。作為塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)重要構(gòu)件的吸熱體材料需承擔(dān)接收太陽(yáng)聚光能量、吸熱和換熱等重要工作，其性能優(yōu)劣決定系統(tǒng)的發(fā)電效率。目前吸熱體材料仍存在服役溫度較低、抗熱震性能和高溫抗氧化性能不佳等缺陷。針對(duì)上述問(wèn)題，本文以碳化硅（ SiC）、α-氮化硅（α-Si3N4）、氮化鋁（AlN）、煅燒鋁礬土和石英為原料，以稀土氧化物（RE2O3）為添加劑，

2、采用分層埋粉燒結(jié)法制備了性能良好的SiC-Sialon復(fù)相吸熱陶瓷，通過(guò)XRF、XRD、SEM和EPMA等測(cè)試手段研究了材料組成、制備工藝、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，探討了Sialon陶瓷的合成機(jī)理；研究了在Sialon中添加SiC和燒結(jié)溫度對(duì)材料結(jié)構(gòu)與性能的影響規(guī)律，分析了RE2O3在SiC/O’-Sialon陶瓷中的作用機(jī)制，確定了Y2O3和Sm2O3的最佳添加量，并就二者對(duì)抗熱震性能和抗氧化性能的改善機(jī)理進(jìn)行了探討。主要研究成果如下：

3、r>　?。?）采用分層埋粉燒結(jié)法分別合成了β-Sialon（樣品編號(hào) B1）、O’-Sialon（B2）和β/O’-Sialon（B3）陶瓷，研究了組成、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，探討了它們的合成機(jī)理。三者比較，β-Sialon陶瓷結(jié)構(gòu)致密、抗折強(qiáng)度較高、抗熱震性能較好，經(jīng)1600℃燒結(jié)B1樣品的氣孔率和抗折強(qiáng)度分別為3.90％和195.36 MPa。熱震循環(huán)試驗(yàn)30次后（室溫~1100℃，風(fēng)冷），樣品的抗折強(qiáng)度為130.54 MPa，強(qiáng)度損失

4、率為33.18%。O’-Sialon陶瓷的抗氧化性能最優(yōu)，將經(jīng)1600℃燒結(jié)的B2樣品在1300℃氧化100 h后，氧化增重為13.9893 mg·cm-2，氧化速率常數(shù)為0.6958 mg2·cm-4·h-1。Sialon合成機(jī)理研究表明，Sialon陶瓷的合成遵從溶解、相變、沉積、成核和晶粒長(zhǎng)大的規(guī)律。高溫下，α-Si3N4首先溶于液相、相變形成β-Si3N4。當(dāng)體系中Si-Al-O-N過(guò)飽和時(shí)，β-Si3N4與Al2O3、AlN反

5、應(yīng)，在異相顆粒表面沉積形成 Sialon晶核，繼而發(fā)育生長(zhǎng)。Sialon陶瓷的最佳燒結(jié)溫度為1600℃，在1540℃~1640℃范圍內(nèi)，O’-Sialon合成率較高。將β-Sialon和O’-Sialon復(fù)合后，體系中有x-Sialon生成。
　?。?）研制了原位合成Sialon結(jié)合SiC的太陽(yáng)能熱發(fā)電用吸熱陶瓷，為吸熱體材料的低成本、模塊化制造提供了新途徑。研究表明，添加 SiC可提高材料的太陽(yáng)輻射吸收率和服役溫度，減小樣品熱震

6、后的強(qiáng)度損失率?？篃嵴饳C(jī)理研究表明，第1次熱震時(shí)，樣品中的SiC和Si3N4氧化形成的SiO2液相，填充氣孔，促進(jìn)致密化，少量 Sialon氧化分解產(chǎn)生莫來(lái)石增強(qiáng)樣品，使材料強(qiáng)度增大；隨熱震次數(shù)增加，樣品中 SiO2過(guò)量，冷卻形成大量石英和玻璃相，導(dǎo)致材料熱震損傷加劇，樣品強(qiáng)度下降。經(jīng)1600℃燒結(jié)的SiC/β-Sialon陶瓷（C1）抗折強(qiáng)度較高（70.04 MPa），熱膨脹系數(shù)小（5.86×10-6℃-1），孔徑分布均勻，使其抗熱震

7、性能最佳。熱震30次后（室溫~1100℃，風(fēng)冷），樣品的抗折強(qiáng)度為66.68 MPa，強(qiáng)度損失率為4.79%?？寡趸瘷C(jī)理研究表明，O’-Sialon富氧，樣品表面形成的氧化膜可有效阻止氧氣擴(kuò)散，使 SiC/O’-Sialon（C2）陶瓷具備良好的抗氧化性能。將經(jīng)1600℃燒結(jié)的C2樣品在1300℃氧化100 h后，氧化增重為23.6445 mg·cm-2，氧化速率常數(shù)為2.0119 mg2·cm-4·h-1。
　　（3）為進(jìn)一步改

8、善改SiC-Sialon吸熱陶瓷的性能，分別以3 wt%的Sm2O3、Ho2O3、Er2O3、Tm2O3和 Lu2O3為添加劑，制備了 SiC/O’-Sialon吸熱陶瓷，探討了稀土種類對(duì)材料常溫性能、抗熱震性能和抗氧化性能的影響。研究表明，在不同燒結(jié)溫度下，各配方樣品最高抗折強(qiáng)度隨添加的稀土 RE3+離子半徑減小先升后降，材料的抗熱震性能和抗氧化性能先減弱后增強(qiáng)。經(jīng)1640℃燒結(jié)D1樣品（Sm2O33 wt%）的綜合性能最佳，其氣孔率

9、和抗折強(qiáng)度分別為31.23%和68.70 MPa。熱震循環(huán)試驗(yàn)30次后（室溫~1100℃，風(fēng)冷），D1樣品的抗折強(qiáng)度為63.90 MPa，強(qiáng)度損失率為6.98%。在1300℃氧化100 h后，D1樣品的氧化增重為20.8763 mg·cm-2，氧化速率常數(shù)為1.1929 mg2·cm-4·h-1。熱震循環(huán)試驗(yàn)和氧化循環(huán)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，因 Sm3+半徑較大，在反復(fù)的熱震循環(huán)試驗(yàn)中可形成低黏度液相，促進(jìn)晶粒生長(zhǎng)和致密化，故D1樣品抗熱震性能最

10、優(yōu)；在氧化循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程中，Sm2O3使樣品表面快速形成氧化膜，界面反應(yīng)被抑制，因而D1樣品的抗氧化性能最佳。在O’-Sialon的固溶極限內(nèi)添加稀土Er3+可細(xì)化晶粒，提高樣品強(qiáng)度，經(jīng)1640℃燒結(jié)的D3樣品（Er2O33 wt%）抗折強(qiáng)度達(dá)79.19 MPa。
　　（4）研究了Y2O3的添加量對(duì)SiC/O’-Sialon陶瓷的結(jié)構(gòu)與性能的影響，探討了抗熱震性能的改善機(jī)理。研究表明，適量增加 Y2O3的添加量可顯著改善SiC/O’

11、-Sialon陶瓷的抗熱震性能，Y2O3的最佳添加量為9 wt%。經(jīng)1640℃燒結(jié)E4樣品（61μm SiC48 wt%、20μm SiC12 wt%、α-Si3N424.78 wt%、煅燒鋁礬土5.04 wt%、石英10.18 wt%、Y2O39 wt%）的綜合性能最佳，其氣孔率和抗折強(qiáng)度為26.54%和89.11 MPa。熱震循環(huán)試驗(yàn)30次后（室溫~1100℃，風(fēng)冷），樣品抗折強(qiáng)度為102.98 MPa，強(qiáng)度增加率為15.57%。在

12、1300℃氧化100 h后，E4樣品的氧化增重為9.5568 mg·cm-2，氧化速率常數(shù)為0.3625 mg2·cm-4·h-1?？篃嵴饳C(jī)理研究表明，以5 wt%~9 wt%的 Y2O3為添加劑時(shí)，熱震過(guò)程中 SiC的氧化和O’-Sialon的分解被抑制，石英和玻璃相含量減少，熱震生成Y2Si2O7也可消耗過(guò)量石英，使熱震循環(huán)中樣品的開(kāi)裂傾向性減小，改善了材料的抗熱震性能。
　?。?）研究了Sm2O3的添加量對(duì)SiC/O’-Si

13、alon陶瓷的結(jié)構(gòu)與性能的影響，探討了抗氧化性能的改善機(jī)理。研究表明，適量增加 Sm2O3的添加量可顯著改善SiC/O’-Sialon陶瓷的抗氧化性能。經(jīng)1640℃燒結(jié)F5樣品（61μm SiC48 wt%、20μm SiC12 wt%、α-Si3N424.78 wt%、煅燒鋁礬土5.04 wt%、石英10.18 wt%、Sm2O311 wt%）的抗氧化性能最佳。在1300℃氧化100 h后，F(xiàn)5樣品的氧化增重為5.5043 mg/cm

14、2，氧化速率常數(shù)為0.2813 mg2·cm-4·h-1?？寡趸瘷C(jī)理研究表明， Sm3+半徑較大，Sm2O3可形成低黏度液相，快速形成氧化膜，抑制界面反應(yīng)進(jìn)行。因此，若在 SiC/O’-Sialon陶瓷中分別引入等量的 Y2O3和 Sm2O3，Sm2O3對(duì)SiC/O’-Sialon陶瓷抗氧化性能的改善效果更佳。增加 Sm2O3添加量不僅可抑制界面反應(yīng)，降低該過(guò)程氧化增重，也可促進(jìn)樣品表面生成 Sm2Si2O7等晶相，阻止空氣向樣品內(nèi)部擴(kuò)