Si3N4-塞隆復(fù)相太陽能吸熱陶瓷的研究.pdf

1、隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)能源的需求不斷增加，而煤、石油、天然氣等不可再生能源日趨匱乏，能源短缺已經(jīng)成為制約人類發(fā)展的瓶頸。太陽能作為一種環(huán)境友好、“可再生”能源而受到眾多科學(xué)家的青睞，太陽能熱發(fā)電是太陽能熱利用的重要方式，該技術(shù)將有望取代化石能源，帶來能源革命。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強(qiáng)度較低、抗熱震性能、抗氧化性能較差等問題，本文開展了創(chuàng)新性的研究。
　　 本文以Si3N4為主要原料，采

2、用埋燒的方法，設(shè)計(jì)了Si3N4-Si2N2O復(fù)相陶瓷、Si3N4-塞隆復(fù)相陶瓷;以Y2O3和MnO2作添加劑，對(duì)合成的Si3N4-塞隆復(fù)相陶瓷進(jìn)行了摻雜改性，制備了波紋陶瓷。測(cè)試了燒成后樣品的物理性能（吸水率、氣孔率、體積密度、燒成收縮、抗折強(qiáng)度等），并著重分析了影響樣品抗折強(qiáng)度、抗熱震、抗氧化等性能的因素，采用XRD、SEM、EPMA等測(cè)試技術(shù)表征了樣品的物相組成和微觀形貌;探討了配方組成和燒成制度對(duì)樣品微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響，研究了提

3、高樣品強(qiáng)度、抗氧化性能和抗熱震性能的機(jī)理。
　　 以Si3N4、桂廣滑石、MgCO3（上海泗聯(lián)化工有限公司）、MgO（北京化工廠）、工業(yè)-Al2O3、α-Al2O3、蘇州土為原料，設(shè)計(jì)了A系列配方，原位合成了鎂鋁尖晶石樣品，采用現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)表征了燒成樣品的微結(jié)構(gòu)及性能，獲得了合成鎂鋁尖晶石的較優(yōu)配方（桂廣滑石9.82wt％，MgO30.85wt％，工業(yè)-Al2O349.33wt％，蘇州土10.00wt％）。在合成鎂鋁尖晶石的較優(yōu)

4、配方的基礎(chǔ)上添加Si3N4，設(shè)計(jì)并制備了B系列配方樣品，樣品性能和微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試表明，Si3N4的最佳添加量為85％的B2配方（Si3N485wt％、桂廣滑石1.47wt％、MgO4.63wt％、工業(yè)-Al2O37.40wt％、蘇州土1.5wt％）經(jīng)1540℃燒結(jié)的樣品性能最佳，圓片樣品直徑方向上的燒成收縮為9.28％，厚度方向燒成收縮為8.33％，樣品的吸水率為10.54％，氣孔率為23.59％，體積密度為2.24g·cm-3，抗折強(qiáng)度

5、為183.11MPa，熱膨脹系數(shù)為4.686×10-6℃-1，30次熱震后強(qiáng)度損失率為51.23％，100h氧化增重為32.1424mg.cm-2。
　　 為了提高B系列材料的強(qiáng)度、抗熱震性能以及抗氧化性能，在最佳配方B2（Si3N485％，桂廣滑石1.47％，MgO4.63％,工業(yè)-Al2O37.40％，蘇州土1.5％）的基礎(chǔ)上，以桂廣滑石1.47％，MgO4.63％，γ-Al2O37.40％，蘇州土1.5％總計(jì)占15％，依據(jù)

6、分子式為Si6-zAlzOzN8-z的β-Sialon，取z=0，1，2，3，4，引入不同組分的鋁源如γ-Al2O3，工業(yè)氫氧化鋁為鋁源，煅燒鋁礬土（新密鋁礬土）合成Sialon，分別設(shè)計(jì)C系列、D系列、E系列配方，對(duì)燒成后的樣品進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和性能研究，結(jié)果表明，以煅燒鋁礬土為鋁源的E系列樣品的性能較優(yōu)，E系列中E4樣品（Si3N443.96wt％、桂廣滑石1.47wt％、MgO4.63wt％、工業(yè)-Al2O37.40wt％、蘇州土1.5

7、wt％、煅燒鋁礬土41.04wt％）合成的Sialon相最多;經(jīng)1540℃燒結(jié)的E3樣品（Si3N450.00wt％、桂廣滑石1.47wt％、MgO4.63wt％、工業(yè)-Al2O37.40wt％、蘇州土1.5wt％、煅燒鋁礬土35.00wt％）的綜合性能較佳，樣品的吸水率為0.37％，氣孔率為1.01％，體積密度為2.70g·cm3，抗折強(qiáng)度為198.45MPa，熱膨脹系數(shù)為5.077×10-6℃-1，30次熱震后強(qiáng)度損失率為2.80％

8、，100h氧化增重為1.7500mg.cm-2，35.2℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)為7.66W/m.K，比熱容為0.69kJ/kg.K，熱擴(kuò)散系數(shù)為0.04cm2/sec。
　　 為了進(jìn)一步提高Si3N4-塞隆復(fù)相吸熱陶瓷材料的強(qiáng)度、抗熱震性能以及抗氧化性能，本章在E3配方和E4配方的基礎(chǔ)上，以Y2O3和MnO2改性劑，設(shè)計(jì)了F系列、G系列、H系列、I系列以及J系列樣品配方組成，在1440℃、1460℃、1480℃，1500℃，1520℃、

9、1540℃等溫度下燒結(jié)制備了樣品，并對(duì)樣品的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，Y2O3和MnO2可顯著降低樣品的燒成溫度，提高樣品強(qiáng)度;經(jīng)1460℃燒結(jié)的F3樣品的物理性能最優(yōu)，吸水率為0.11％，氣孔率為0.33％，體積密度為2.96g·cm-3，強(qiáng)度高達(dá)255.08MPa;經(jīng)1500℃燒結(jié)的F1和經(jīng)1520℃燒結(jié)的12的抗熱震性能較優(yōu)，F(xiàn)1熱震30次后的強(qiáng)度增加15.94％和12熱震30次后的強(qiáng)度損失4.59％;經(jīng)1500℃燒結(jié)的J1