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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(duì)能源需求的不斷增加,能源緊缺問題迫在眉睫。世界各國(guó)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(guó)家973項(xiàng)目,針對(duì)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(jì)莫來石-SiC系和Sialon-
2、Si3N4-SiC系復(fù)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(gè)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(cè)試技術(shù)測(cè)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(cè)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(duì)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(jī)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(jì)了莫來石結(jié)合SiC復(fù)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(fù)相材料。結(jié)果表明燒成氣氛、鋁源種類對(duì)合成莫來石-SiC系復(fù)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(fù)相材料,會(huì)產(chǎn)生多余的方石英相,難
4、以獲得預(yù)期的物相組成。
為進(jìn)一步提高莫來石結(jié)合SiC復(fù)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(duì)D4配方進(jìn)行改性,設(shè)計(jì)采用埋粉燒結(jié)法制備了D4系列配方樣品并進(jìn)行性能測(cè)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(fù)相材料各項(xiàng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,經(jīng)室溫~1100℃熱循環(huán)30次,樣品強(qiáng)度不降反增,
6、增強(qiáng)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(shí)導(dǎo)熱系數(shù)為8.32W/(m·K),比熱容為0.64J/g·K,熱擴(kuò)散系數(shù)為5.05×10-2cm2/s。對(duì)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(jì)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(fù)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(duì)影響O'-Sialon-Si3N4-SiC系復(fù)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(qiáng)度為62.66MPa。熱震實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,經(jīng)30次樣品熱震的強(qiáng)度不降反增,增強(qiáng)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(jìn)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(fù)合溶膠。對(duì)穩(wěn)定溶膠制備機(jī)理的研究發(fā)現(xiàn),采用溶膠-凝膠法制備的SiO2-Al2O3復(fù)合溶膠化學(xué)穩(wěn)定性好,溶膠可密封保存1個(gè)月以上。反應(yīng)溫度、pH值、膠溶劑添加量和反應(yīng)時(shí)間是影響復(fù)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(shí)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(shí)間和Al(OH)3懸浮液的加熱攪拌時(shí)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(duì)表面改性樣品進(jìn)行了
11、抗氧化性能和吸水率、氣孔率的測(cè)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(duì)SiC基復(fù)相陶瓷抗氧化機(jī)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(jìn)樣品液相燒結(jié)致密化;此外,
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