太陽能熱發(fā)電相變儲(chǔ)能材料的腐蝕與防護(hù).pdf

1、金屬相變儲(chǔ)能材料具有儲(chǔ)能密度大、熱穩(wěn)定性好、導(dǎo)熱系數(shù)高、相變時(shí)過冷度小和相偏析少等優(yōu)點(diǎn),在中高溫儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用方面起著重要的作用。Al-Si二元共晶合金作為相變儲(chǔ)能材料已在中高溫儲(chǔ)熱方面獲得廣泛的開發(fā)和利用。在太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域,鋁硅合金是一種較為理想的中高溫相變儲(chǔ)能材料。但在使用過程中,熔融的鋁硅金屬液會(huì)對(duì)金屬容器以沖刷、形成金屬間化學(xué)物等形式的腐蝕,使金屬容器變薄強(qiáng)度下降而最終失效,嚴(yán)重阻礙了相變儲(chǔ)能的應(yīng)用。因此,了解鋁硅合金對(duì)金屬容器

2、的腐蝕特性,對(duì)于預(yù)測(cè)容器的失效時(shí)間,為儲(chǔ)能發(fā)電的穩(wěn)定性和安全性提供保證,從而為金屬相變儲(chǔ)能的應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
　　 本文選用含硅量12.07％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的鋁硅合金作為相變儲(chǔ)能材料。討論與熔融鋁硅合金腐蝕介質(zhì)接觸的金屬材料,在長(zhǎng)時(shí)間處于495～620℃高溫反復(fù)循環(huán)條件下的抗腐蝕性。為了減緩腐蝕,自配了6種高溫涂料,研究其抵抗熔融鋁硅介質(zhì)的侵蝕。具體內(nèi)容如下:
　　 選用310S不銹鋼、20G高壓鍋爐鋼、Y17進(jìn)口低碳

3、鋼為容器及換熱器材料,研究三種材料在495～620℃高溫反復(fù)循環(huán)條件下的的抗熔融鋁硅合金液腐蝕的特性。利用掃描電鏡、能譜儀、X射線衍射等分析手段,對(duì)經(jīng)近1080小時(shí)腐蝕后的樣品表面及截面的形貌、成分、組織與結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了分析研究。研究結(jié)果表明:1)3種材料的腐蝕速率隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng),逐漸降低。通過對(duì)單位面積失重進(jìn)行擬合,得出3種材料的動(dòng)力學(xué)生長(zhǎng)指數(shù)均接近2,說明腐蝕的發(fā)生受鐵鋁合金腐蝕層的擴(kuò)散生長(zhǎng)控制,遵循拋物線規(guī)律。即:擴(kuò)散腐蝕層厚度

4、隨時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸趨于穩(wěn)定。2)在經(jīng)過1080小時(shí)的熔化-凝固循環(huán)腐蝕后,310S在三種材料中的抗腐蝕性最好,具有良好的抗鋁硅熔融液腐蝕的能力。20G鋼與Y17低碳鋼相當(dāng)。這是由于在不銹鋼中含有合金元素如Cr、Ni,這些合金元素會(huì)偏聚在晶界上阻礙鋁原子的擴(kuò)散,使腐蝕層的生長(zhǎng)速度減緩。
　　 為了進(jìn)一步減緩鋁硅液對(duì)容器基體的腐蝕,在3種基體上分別涂敷了6種涂料,通過各種儀器檢測(cè)涂層性能,檢測(cè)結(jié)果顯示:1)利用劃格法測(cè)試各涂層與基體結(jié)

5、合力,T1、T4涂層方案附著力達(dá)到0級(jí)。T2、T3、T5、T6涂層方案附著力達(dá)到1級(jí),均達(dá)到較好的結(jié)合強(qiáng)度。通過熱震實(shí)驗(yàn)測(cè)得,6種方案的抗熱震性均較好。2)對(duì)6種涂層方案進(jìn)行熱導(dǎo)率的檢測(cè),各涂層方案熱導(dǎo)率值與基體接近,涂層材料不影響實(shí)驗(yàn)裝置的傳熱。3)對(duì)比各涂層方案的熱導(dǎo)率值,結(jié)果分析表明,在涂料中加入SiO2降低了涂層的導(dǎo)熱系數(shù),TiB2和石墨提高了涂層的導(dǎo)熱系數(shù)。
　　 將制備的涂料涂層試樣進(jìn)行熱循環(huán)實(shí)驗(yàn),研究探討了高溫涂料

6、防止容器材料受熔融鋁硅介質(zhì)腐蝕的特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:1)在金屬材料表面涂敷涂料涂層之后,涂層可以有效地抑制儲(chǔ)能材料中的成分在金屬材料中的擴(kuò)散。2)通過對(duì)比涂敷涂層前后試樣的截面掃描圖,觀察發(fā)現(xiàn)涂敷涂料后腐蝕層厚度明顯減薄,通過計(jì)算腐蝕速率均有下降,說明在金屬材料表面涂敷6種涂層之后,可以有效減緩熔融鋁硅介質(zhì)對(duì)金屬材料的浸蝕,明顯地提高了材料的耐腐蝕性能。3)在本文中研究的6種涂料配方,通過對(duì)比截面腐蝕層厚度及各時(shí)間段腐蝕速率得出:含有T

7、iB2涂層的方案耐腐蝕性最好。
　　 本文研究了涂料對(duì)鋁硅合金熱穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明,共晶系鋁硅合金在600℃左右是一種理想的金屬相變儲(chǔ)能材料,涂料成分對(duì)鋁硅合金熱穩(wěn)定性影響不大。經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)1080小時(shí)的熔化.凝固循環(huán)后,鋁硅合金的熔化起始溫度隨熱循環(huán)次數(shù)的增加而略有上升,相變起始溫度從579℃升高到581.4℃；熔化潛熱略有下降,潛熱值從537J/g下降到488.6J/g,熱性能基本保持穩(wěn)定。在鋁硅介質(zhì)中放置涂有涂層的試樣

8、進(jìn)行熱循環(huán)1080小時(shí)后,通過DSC測(cè)試鋁硅合金的潛熱值,由T3～T6分別為486.7J/g、487.3J/g、487.9 J/g、488.2J/g。與未放置涂層試樣循環(huán)1080小時(shí)后的潛熱值相差不大。涂料成分對(duì)儲(chǔ)熱性能的影響是非常有限的。
　　 本課題的研究對(duì)于推動(dòng)鋁硅相變材料在太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域的發(fā)展具有重要而現(xiàn)實(shí)的意義。研究結(jié)果表明,將鋁硅合金作為儲(chǔ)能介質(zhì),使用涂料涂層對(duì)金屬材料表面進(jìn)行防護(hù),可以有效的抵抗熔融鋁硅介質(zhì)的長(zhǎng)時(shí)