高吸收低反射太阳能陶瓷材料的研究

【摘要】：能源利用技术在人类社会发展中占有举足轻重的地位,但无节制的资源开发和资源的低效率利用,使人类面临着史无前例的考验。众所周知,太阳能量取之不尽、用之不竭,且以独具的储量无限性、存在的普遍性、开发利用的清洁性,使其成为了各国竞相研究的热点。本文针对太阳能热发电核心部位吸热器,制备了高吸收低反射太阳能陶瓷材料。 以碳化硅及合成莫来石微粉为原料,制备了莫来石结合碳化硅陶瓷。测定了莫来石结合碳化硅材料的显气孔率、吸水率、体积密度、抗折强度、热膨胀系数等一系列理化性能,研究结果表明,随莫来石添加量增加,样品气孔率、吸水先减小后增大,体积密度与抗折强度先增大后减小。样品的增重率随莫来石添加量增多及烧成温度的升高而增大；样品亮度随莫来石添加量增多先降低后增大。合成莫来石添加量为20%,经1380℃烧成样品的气孔率、吸水率最低,体积密度最大,分别为17%、10.88%和2.13g·cm-3,其抗折强度达69.62MPa,热膨胀系数为5.4×10-6℃-1。样品热震循环(1000℃～室温)30次无裂纹、30次后强度不减反而增加了64.45%,最佳样品的太阳吸收率为0.80,热发射率为0.91。XRD分析表明材料的主晶相为α-SiC、莫来石(3Al2O3·2SiO2),并有少量的方石英(SiO2)；样品增重率为7.49%,亮度值为46.61,材料具有良好的抗氧化性能,SEM研究其微观形貌,莫来石作为结合相在硅酸盐玻璃相的作用下形成三维的网状保护层包裹在碳化硅表面,阻止碳化硅进一步氧化。 以锂辉石、山东石英、星子高岭土为原料,制备了锂辉石低膨胀陶瓷。样品的气孔率、吸水率随烧成温度升高先降低后升高。相同温度下,样品的体积密度随高岭土含量增加而增大。样品的抗折强度随烧成温度升高先增大后降低。最佳配方L3组成为：锂辉石70%,星子高岭土10%,山东石英20%,经1330℃烧成样品L3综合性能最佳,Pa、Wa和D分别为0.79%、0.38%和2.09g·cm-3,体积收缩率为17.2%,其抗折强度为45.83MPa,其热膨胀系数为0.86×10-6℃-1(0～900℃)。热震后析出的针棒状莫来石及形成的微裂纹使样品的抗折强度不降反增,经1320℃烧成样品L3热震10次时,抗折强度最高为46.38MPa,增幅达200.78%,样品具有优异的热稳定性能。XRD分析结果表明最佳样品主晶相为p-锂辉石(Li2O·Al2O3·4SiO2),SEM分析表明样品主晶相β-锂辉石固溶体由玻璃相连接在一起,少量的石英颗粒分布于β-锂辉石表面,同时针棒状的莫来石分布于孔洞周围,起增韧作用。高岭石自400℃开始脱去结晶水转变为偏高岭石；800～900℃期间α-锂辉石转变为β-锂辉石,体积膨胀30%,偏高岭石转化继续；1000℃后,一方面,偏高岭石转变为莫来石及石英液相传质,促进烧结,另一方面p-锂辉石开始固溶游离二氧化硅,生成固溶体,由莫来石与石英组成的玻璃相作为结合相将锂辉石粘结起来赋予样品强度,经1330℃烧成样品烧结致密,锂辉石固溶体结晶趋于完整,使样品具有较低的热膨胀系数。三个配方样品的热膨胀系数均小于2×10-6℃-1,符合低膨胀陶瓷的要求。 以锂辉石低膨胀陶瓷最佳配方L3与莫来石结合碳化硅陶瓷最佳配方B2进行复合,制备碳化硅-锂辉石复相吸热陶瓷。样品的气孔率、吸水率随烧成温度升高而升高,体积密度呈相反趋势。样品的抗折强度随复合比增大而降低。经1320℃烧成样品BL2综合性能最佳,Pa、Wa和D分别为24.67%、11.81%和2.09g·cm-3,体积收缩率为-5.63%,其抗折强度为66.47MPa,35.3℃时样品BL2的热导率为3.81W-(m·K)-1。其配方组成为：碳化硅含量为72%,莫来石为18%,锂辉石含量为7%,星子高岭土为1%,山铝石英含量为2%。XRD分析样品主晶相为α-碳化硅(SiC)和合成莫来石(3Al2O3·2SiO2),并含有少量的方石英(Si02)和锂辉石(Li2O·Al2O3·4SiO2)。SEM分析认为主晶相SiC起着骨架作用,而熔融的p-锂辉石填充于空隙之间,将SiC粘结起来,赋予样品强度。最佳配方BL2的热膨胀系数为4.55×10-6℃-1(0～900℃),达到了调节热膨胀系数,提高材料热稳定性的目的。最佳样品BL2的太阳能吸收率α为0.83,热发射率ε为0.91,与B2的太阳能吸收率0.80相比,样品太阳能吸收率得到提高,但热发射率仍较局。 为进一步降低热发射率,以五水四氯化锡为前驱体,采用溶胶凝胶法制备了SnO2溶胶,以最佳样品BL2为基体,并分别采用旋转镀膜法及浸渍提拉法在基体上涂覆SnO2薄膜,制备了涂覆SnO2薄膜的碳化硅-锂辉石复相吸热陶瓷。结合差热-热重分析(TG-DTA)、X射线衍射分析(XRD)、扫面电镜分析(SEM)及紫外-可见-红外(UV-Vis-IR)反射光谱分析,薄膜的主晶相为锡石(Sn02),最佳的热处理温度为600℃,基体表面分布厚度0.5～1μm的SnO2薄膜,SnO2结晶完整,薄膜在基体表面分布均匀并与基体结合良好。SnO2薄膜对样品的热发射率具有降低作用,合适的溶胶粘度及涂膜层数有助于太阳能吸收率α的提高。SnO2薄膜在可见光和近红外光具有高透过性,在大于4μm的红外波段透射率开始下降,反射率升高,这一特性使样品ε降低。A8的SnO2薄膜厚度合适,起到了减反膜的作用,从而提高材料的太阳能吸收率α。涂3层膜的样品A8的光学性能最好,α和ε分别为0.853和0.6531,与基体BL2的α为0.83及ε为0.91相比,α提高0.83%,ε降低28.23%,有望作为非真空太阳能高温吸热管的高温吸热涂层材料。 【关键词】：太阳能热发电 高吸收太阳能陶瓷 莫来石结合碳化硅 锂辉石低膨胀陶瓷 复相陶瓷 二氧化锡 太阳能吸收率 热发射率 微观结构与性能
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TQ174.1
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-10
• 目录10-13
• 第1章 绪论13-24
• 1.1 课题研究的目的及意义13-14
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势14-23
• 1.2.1 吸热涂层材料的国内外研究进展14-16
• 1.2.2 碳化硅陶瓷的国内外研究进展16-20
• 1.2.3 锂辉石低膨胀陶瓷的国内外研究进展20-21
• 1.2.4 SnO_2材料的国内外研究进展21-23
• 1.3 本研究的主要内容23-24
• 第2章 莫来石结合碳化硅吸热陶瓷的制备及结构与性能24-51
• 2.1 实验24-26
• 2.1.1 样品制备24-25
• 2.1.2 结构与性能的表征25-26
• 2.2 结果分析与讨论26-49
• 2.2.1 影响样品气孔率、吸水率、体积密度的因素26-28
• 2.2.2 影响样品烧成体积收缩的因素28-29
• 2.2.3 影响样品抗折强度的因素29-31
• 2.2.4 影响样品热稳定性的因素31-32
• 2.2.5 样品的光学性能分析32-33
• 2.2.6 样品的相组成分析33-35
• 2.2.7 样品的显微结构研究35-45
• 2.2.8 莫来石结合碳化硅陶瓷抗氧化性能研究45-49
• 2.2.8.1 样品的烧成增重率研究45-47
• 2.2.8.2 样品的颜色变化与氧化性关系47-49
• 2.2.8.3 莫来石结合碳化硅陶瓷抗氧化性能的研究49
• 2.3 本章小结49-51
• 第3章 锂辉石低膨胀陶瓷的研究51-76
• 3.1 实验51-52
• 3.1.1 样品制备51-52
• 3.1.2 结构与性能的表征52
• 3.2 结果分析与讨论52-74
• 3.2.1 影响样品显气孔率、吸水率、体积密度的因素52-55
• 3.2.2 影响样品烧成体收缩的因素55-56
• 3.2.3 影响样品抗折强度的因素56-57
• 3.2.4 影响样品热稳定性的因素57-60
• 3.2.5 样品的相组成分析60-62
• 3.2.6 样品的微观结构研究62-73
• 3.2.7 样品的低膨胀机理探讨73-74
• 3.3 本章小结74-76
• 第4章 碳化硅-锂辉石复相吸热陶瓷的研究76-97
• 4.1 实验76-78
• 4.1.1 样品制备76-77
• 4.1.2 样品性能及结构表征77-78
• 4.2 结果分析与讨论78-95
• 4.2.1 影响样品显气孔率、吸水率、体积密度的因素78-80
• 4.2.2 影响样品烧成体积变化率的因素80-81
• 4.2.3 影响样品抗折强度的因素81-82
• 4.2.4 影响样品热稳定性能的因素82-84
• 4.2.5 影响样品比热容、导热系数、导温系数及储热密度的因素84-85
• 4.2.6 影响样品光学性能的因素85-86
• 4.2.7 样品的相组成分析86-87
• 4.2.8 样品的微观结构研究87-95
• 4.3 本章小结95-97
• 第5章 涂覆SnO_2薄膜的碳化硅-锂辉石复相吸热陶瓷的结构与性能97-110
• 5.1 实验97-100
• 5.1.1 SnO_2溶胶的制备97-99
• 5.1.1.1 实验药品97-98
• 5.1.1.2 SnO_2溶胶制备工艺98-99
• 5.1.2 涂覆SnO_2薄膜的碳化硅-锂辉石复相陶瓷样品的制备99-100
• 5.1.3 样品性能及结构表征100
• 5.2 结果分析与讨论100-108
• 5.2.1 SnO_2干凝胶的差热-热重分析100-101
• 5.2.2 SnO_2干凝胶的相组成分析101-102
• 5.2.3 涂覆SnO_2薄膜样品的微观结构分析102-107
• 5.2.4 涂覆SnO_2薄膜样品的光学性能分析107-108
• 5.3 本章小结108-110
• 第6章 全文结论及展望110-114
• 6.1 全文结论110-113
• 6.2 本文创新点113
• 6.3 下一步工作建议113-114
• 致谢114-115
• 参考文献115-123
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研项目123

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