太陽能吸熱器用β-Sialon-Si3N4復(fù)相陶瓷材料的研究.pdf

1、太陽能儲量大、分布廣泛，是開發(fā)和應(yīng)用潛力最大的清潔能源，近年來成為國內(nèi)外研究的熱點。太陽能熱發(fā)電是太陽能利用的重要方式，是最具發(fā)展空間和應(yīng)用前景的太陽能利用技術(shù)。本課題以國家“973計劃”為依托，針對目前塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中吸熱體材料的需求，展開了高性能吸熱體材料的研究。
　　本文以α-Si3N4、 AlN和各種含鋁礦物為主要原料，采用無壓、埋粉燒結(jié)法，設(shè)計并制備了用于塔式太陽能熱發(fā)電吸熱體材料的β-Sialon以及β-Sial

2、on/Si3N4復(fù)相陶瓷。探討了不同金屬氧化物和稀土氧化物作為燒結(jié)助劑對樣品結(jié)構(gòu)和性能的影響。測試了燒成樣品的吸水率、氣孔率、體積密度、燒成收縮、抗折強度、抗熱震性、抗氧化性以及相組成和微觀結(jié)構(gòu)測試。探討了樣品組成、制備工藝、微觀結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系。重點研究了影響樣品抗熱震性能和抗氧化性能的因素，探討了樣品抗熱震和抗氧化機理。主要研究成果如下:
　　(1)以α-Si3N4、煅燒鋁礬土和AlN為主要原料，添加MgO和Y2O3為燒結(jié)

3、助劑，設(shè)計了C系列配方。實驗發(fā)現(xiàn)，MgO和Y2O3的助燒作用顯著，C1～C4樣品均按預(yù)期合成了Z值從1到4的β-Sialon。經(jīng)1560℃燒成C2樣品（62.17wt％Si3N4、28.71wt％煅燒鋁礬土、9.12wt％AlN、外加5wt％MgO和3wt％Y2O3）的性能最優(yōu)。樣品吸水率為7.38％，氣孔率為19.22％，體積密度為2.61g·cm-3，抗折強度為88.43MPa，熱膨脹系數(shù)為6.64×10-6℃-1（室溫～900℃）

4、，室溫導(dǎo)熱系數(shù)為5.56W/m·K。樣品的相組成為鎂鋁尖晶石(MgAl2O4)、β-Sialon、α-Si3N4和β-Si3N4。研究表明，隨著Z值增大，β-Sialon晶體尺寸增大，結(jié)構(gòu)疏松。當(dāng)Z=2時，β-Sialon具有較高的強度和良好的高溫穩(wěn)定性，含量越高，樣品的強度和抗熱震性能越好。
　　(2)為進一步提高樣品的強和度致密度，在C2基礎(chǔ)上，采用Y2O3、 La2O3和硼砂為燒結(jié)助劑設(shè)計了D系列配方。研究表明，經(jīng)1580℃

5、燒成D2樣品（62.17wt％Si3N4、28.71 wt％煅燒鋁礬土、9.12wt％AlN、外加3wt％Y2O3和3wt％La2O3）性能最佳，吸水率為3.33％，氣孔率為9.45％，體積密度為2.84g·cm-3，抗折強度為160.73MPa，熱膨脹系數(shù)（室溫～900℃）為6.06×10-6℃-1，室溫導(dǎo)熱系數(shù)為7.8W/m·K。經(jīng)1300℃氧化100h后樣品的增重率為25.56mg·cm-2。樣品強度和高溫性能較C2有了很大提高。

6、D2樣品的相組成為β-Sialon、β-Si3N4和剛玉。微觀結(jié)構(gòu)致密，氣孔少且分布均勻，樣品綜合性能優(yōu)于C2。
　　(3)抗熱震機理研究表明，樣品中生成大量β-Sialon，與Si3N4緊密結(jié)合，賦予樣品高的致密度、強度和導(dǎo)熱性能，保證樣品在熱震過程中不會產(chǎn)生過大的表面張應(yīng)力而發(fā)生破壞。樣品抗熱震性能優(yōu)異，經(jīng)30次熱震循環(huán)實驗后（室溫～1100℃）C2和D2樣品完好，抗折強度比熱震前有不同程度的提高?？寡趸瘷C理研究表明，β-Si

7、alon/Si3N4復(fù)相陶瓷具有良好的抗氧化性能，氧化過程屬于“鈍化氧化”。樣品的致密度高，氧氣擴散進入其內(nèi)部的速率較小。β-Sialon和Si3N4氧化后在樣品表面形成致密的石英和莫來石層，隨著時間的延長，氧化物層增厚，氧化速率減慢，符合拋物線增長規(guī)律。
　?。?)以D2為粉料配方，加入各種添加劑配制陶瓷料漿，采用前驅(qū)體浸漬法制備了β-Sialon/Si3N4復(fù)相泡沫陶瓷。經(jīng)1540℃燒成E2樣品的氣孔率為82.55％、抗壓強度