太陽能熱發(fā)電莫來石—堇青石復(fù)合陶瓷管道材料的制備及性能研究.pdf

1、塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)要求輸熱管道能夠承受1000℃以上的高溫并具有良好的抗熱震性能。本論文基于太陽能熱發(fā)電輸熱管道材料結(jié)構(gòu)與性能的要求，首先低溫原位合成了莫來石陶瓷和高溫堇青石陶瓷，然后以低溫莫來石和高溫堇青石的最優(yōu)配方為基礎(chǔ)，通過不同配比設(shè)計原位合成莫來石-堇青石復(fù)合陶瓷并對其抗熱震性能進行了表征。為進一步提高復(fù)合陶瓷的熱震性能，對莫來石-堇青石復(fù)合陶瓷進行了改性研究，制得了抗熱震性能更好的改性太陽能熱發(fā)電莫來石-堇青石復(fù)合陶瓷管道材

2、料，對影響太陽能熱發(fā)電莫來石-堇青石復(fù)合陶瓷管道材料的燒結(jié)性能、力學(xué)性能、抗氧化性能、耐腐蝕性能、抗熱震性能和粘結(jié)性能的因素進行了研究。利用XRD、SEM、EDS、EPMA、DSC等現(xiàn)代測試技術(shù)研究了材料組成、制備工藝、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，探討了材料抗熱震機理和粘結(jié)機理。本論文取得的主要成果和創(chuàng)新點有:
　　 (1)通過原位合成法分別制備了低溫莫來石和高溫堇青石，提出了以軟瓷為基礎(chǔ)制備低溫莫來石陶瓷的方法，并利用不同鋁源篩選了高溫

3、堇青石最佳配方組成。系統(tǒng)研究了無壓燒結(jié)條件下，通過添加不同含量的α-Al2O3對合成莫來石陶瓷的影響，探討了其抗熱震性能及機制。研究表明，典型莫來石陶瓷配方A3經(jīng)1340℃燒結(jié)樣品的氣孔率達0.12％，吸水率為0.04％，體積密度為2.71g/cm3，抗折強度達94.82 MPa，30次熱震后強度損失率為60％（室溫-1100℃空冷），樣品的抗熱震性差，主晶相是莫來石、次晶相是剛玉和石英。通過篩選不同的鋁源，按照堇青石計量比原位合成了高

4、溫堇青石，結(jié)果表明最佳配方B1的主晶相為堇青石和鐵堇青石，經(jīng)1420℃燒成后的樣品的吸水率為2.35％，氣孔率為5.04％，體積密度為2.14g/cm3，抗折強度為82.44MPa，經(jīng)30次熱震強度不減反增了5％。抗熱震機理研究表明，莫來石陶瓷抗熱震屬于微裂紋和納米棒復(fù)合增韌機制，堇青石陶瓷屬于微裂紋增韌機制。
　　 (2)在低溫制備莫來石和高溫制備堇青石的基礎(chǔ)上，采用A3和B1的不同配比設(shè)計了C系列莫來石-堇青石復(fù)合陶瓷配方組

5、成，原位合成了莫來石-堇青石復(fù)合陶瓷，并對樣品的組成，結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系進行了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明，經(jīng)1300℃燒成后的樣品C5的吸水率為0.142％，氣孔率為0.364％，體積密度為2.56g/cm3，抗折強度為121.08MPa，經(jīng)30次抗熱震后（室溫-1100℃空冷），樣品的抗折強度為110.53MPa，樣品強度的損失率為8％，強度和抗熱震損失率介于A3和B1之間。熱震性能研究表明，復(fù)合陶瓷屬于微裂紋-納米晶須復(fù)配增韌機制。
　

6、　 (3)在C系列的研究基礎(chǔ)上，按照計量比設(shè)計了不同配比的堇青石和莫來石D系列，采用原位合成法對莫來石-堇青石復(fù)合陶瓷進行改性，并對組成、結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系進行了研究。結(jié)果表明，1300℃保溫3h燒成的最佳樣品D3，其主晶相是堇青石和莫來石，次晶相是剛玉;吸水率為0.14％，氣孔率為0.44％，體積密度為2.55g/cm3，抗折強度為124.09MPa，耐腐蝕性好，經(jīng)30次抗熱震后（室溫-1100℃空冷），樣品強度的損失率為2％，與

7、C系列相比抗熱震性顯著提高?？篃嵴鹦阅苎芯勘砻鳎男蕴沾蓪儆谖⒘鸭y-晶粒彌散復(fù)合增韌機制。
　　 (4)為進一步提高復(fù)合陶瓷抗熱震性，減少復(fù)合陶瓷中的玻璃相，促進堇青石微晶的生長，對D3樣品采用不同的保溫時間進行了熱處理研究。并對其用作太陽能熱發(fā)電的重要性能如氣孔率，力學(xué)性能，耐腐蝕性能，抗氧化性能，抗熱震性能及相關(guān)機制等進行了探討。結(jié)果表明，經(jīng)過保溫9h的配方D3體現(xiàn)出優(yōu)異的性能，樣品的吸水率為0.09％，氣孔率為0.22％，

8、體積密度為2.56g/cm3，1100℃高溫100h氧化失重率＜0.4％，20wt％ H2SO4和10wt％ NaOH腐蝕失重百分率分別為0.06％和0.05％，抗折強度為121.97MPa，經(jīng)30次抗熱震后（室溫-1100℃空冷），強度不減反增了1％，表明經(jīng)再次熱處理太陽能管道材料莫來石-堇青石復(fù)合陶瓷抗熱震性顯著提高。復(fù)合陶瓷抗氧化性、耐腐蝕性和抗熱震性研究表明:氧化失重是由于堿金屬氧化物揮發(fā)的結(jié)果，由于堇青石晶體結(jié)構(gòu)的影響，復(fù)合陶

9、瓷材料耐堿性比酸性好，多次熱震可以促進D3樣品中的堇青石釋放出玻璃相形成微裂紋，從而提高陶瓷的抗熱震性能。顯微結(jié)構(gòu)分析表明，延長保溫時間能促進晶粒的生長，但是保溫時間超過5h時，部分堇青石又分解出玻璃相導(dǎo)致常溫抗折強度下降。
　　 (5)以D3配方樣品為管道材料，通過篩選無機粘結(jié)劑，對D3樣品的粘結(jié)性能進行研究。結(jié)果表明耐火泥具有最好的粘結(jié)劑性能，其常溫粘結(jié)強度和1100℃粘結(jié)強度分別為3.052MPa和6.62MPa，EPMA