太阳能热发电用堇青石-莫来石储热陶瓷的研制

以煅烧铝矾土、滑石和石英为原料,设计太阳能热发电储热用原位合成堇青石-莫来石复相陶瓷组成并制备样品,采用XRD、SEM等现代测试技术对样品的性能及微结构进行研究。探讨样品相组成及微观结构对储热陶瓷样品抗热震和储热性能的影响。结果表明,原位合成四方柱状莫来石结合原位合成条柱状堇青石可显著提高样品的抗热震性能和储热性能;经1450℃烧成的堇青石-莫来石复相储热陶瓷样品热膨胀系数为3.64×10^(-6)K^(-1)(室温~850℃);储热密度为1416 kJ/kg(0~800℃);热震30次(室温~800℃,气冷)不开裂,且热震后抗折强度增长了28.11%。满足太阳能热发电显热储热材料的要求。

原位生成堇青石结合红柱石太阳能热发电储热陶瓷的抗热震性能

为提高储热陶瓷材料的抗热震性能,采用原位生成堇青石增强技术,以红柱石为主要原料,通过半干压成型,无压烧结研制了用于太阳能高温热发电红柱石储热陶瓷材料样品。研究了配方组成、烧成温度、相组成、微观结构对样品抗热震性能的影响。结果表明:红柱石添加量为70%,经1 400℃烧成的样品抗热震性能最佳:30次热震实验(热震条件:1 100℃～室温,风冷)的强度不仅没有损失,反而增加了26.20%。相组成和微观结构分析表明样品的晶相为堇青石、莫来石、硅线石、α-方石英、α-石英等,原位生成的堇青石晶体均匀分布在由红柱石转化的莫来石晶体之间,赋予样品较好的抗热震性能。

利用石墨尾矿研制太阳能中温储热陶瓷及抗热震性

以石墨尾矿为主要原料,研制了太阳能热发电用中温储热陶瓷。研究了储热陶瓷样品组成和烧成温度对样品吸水率、气孔率、体积密度、抗折强度及抗热震性能的影响。研究表明,经1 100℃烧成的A3样品(石墨砂尾矿70%、页岩10%、高岭土5%、钾长石10%、钠长石5%)综合性能最优,吸水率、气孔率、体积密度、抗折强度分别为0.07%、0.17%、2.48g/cm^3,80.06 MPa。相组成为板块状中长石、颗粒状的石英和赤铁矿。室温~600℃热震循环30次无裂纹,热震后强度为76.70 MPa,样品抗热震性好。样品抗热震机理研究表明,中长石、石英、玻璃相热膨胀系数不匹配产生的微裂纹增韧效应,有利于提高样品的抗热震性。

太阳能热发电Al_2O_3-ZrO_2复相储热陶瓷的制备及其抗热震性

以α-Al2O3、部分稳定氧化锆(PSZ)(Y2O35.2%)、红柱石、堇青石、滑石为原料,制备了太阳能储热用Al2O3-ZrO2复相储热陶瓷,采用XRD、SEM等测试技术对样品的性能及结构进行了研究,探讨了PSZ、堇青石和红柱石对储热陶瓷样品抗热震性能的影响。结果表明,添加堇青石、PSZ和红柱石均可提高样品的抗热震性能,且三者共掺时的抗热震性能最优。经1 340℃烧成的复相储热陶瓷样品(样品B4)抗折强度达60.83MPa、热震(室温～800℃,气冷)30次不开裂,且热震后抗折强度增长了13.15%。相组成分析表明,B4样品热震前后晶相组成均为刚玉、四方氧化锆、红柱石、莫来石、堇青石。SEM研究结果表明,样品热震前后均较致密,少量连通气孔,气孔尺寸为1～80μm,晶粒尺寸为1～5μm,晶粒生长发育良好,被少量玻璃相包裹,晶粒间呈晶间型紧密连接,赋予了样品较高的强度和抗热震性。

封装相变材料的红柱石蜂窝陶瓷储热材料及储热装置的研究

设计了原位生成堇青石结合红柱石陶瓷的组成,采用无压烧成法研制了原位生成堇青石结合红柱石L系列复相陶瓷,探讨了提高红柱石复相陶瓷的抗热震性能的途径。研究结果表明：经1400℃烧成的L4样品（红柱石70%,滑石13%,高岭土13%,γ-氧化铝4%）的综合性能最佳,其吸水率（Wa）为10.71%,气孔率（Pa）为22.95%,体积密度（D）为2.14 g/cm3;,烧成收缩为2.98%,抗折强度（σb）为92.74 MPa。热膨胀系数为5.41×10^-6/℃,30次热震实验（热震条件：1100℃~室温,风冷）的强度没有损失,反而增加了26.20%,常温导热系数为1.87 W/（m·K）,比热容为0.90 k J/（kg·K）,储热密度为900 k J/kg（0~1000℃）。相组成分析表明样品的晶相组成为印度石（高温堇青石）,莫来石,硅线石,α-方石英,α-石英等,原位生成的堇青石晶体均匀分布在莫来石晶体之间,赋予样品较好的抗热震性能。结果显示,采用原位生成堇青石结合红柱石制备的陶瓷材料能满足太阳能高温热发电储热材料良好的抗热震性能,耐高温,高强度的要求。

Y_(2)O_(3)对原位合成堇青石-莫来石复相太阳能储热陶瓷的烧结性能影响

以天然矿物为原料,Y_(2)O_(3)为烧结助剂,采用无压烧结法原位合成了堇青石-莫来石复相太阳能储热陶瓷。采用XRD,FE-SEM等测试方法系统地研究了样品的结构与性能,探讨了Y_(2)O_(3)对样品烧结性能的影响机理。研究发现,添加少量的Y_(2)O_(3)可有效地改善复相陶瓷的烧结性能,提高致密度和力学性能。当Y_(2)O_(3)添加量为质量分数1.5%时,复相陶瓷样品的吸水率仅为0.02%,体积密度为2.46g/cm^(3),抗折强度达107.07MPa。Y_(2)O_(3)的助烧机理是Y^(3+)进入堇青石晶格中,置换结构中的Mg^(2+),并在堇青石结构中产生间隙O2-缺陷或Mg^(2+)空位缺陷,形成晶格畸变,提高了晶格扩散速率,有利于烧结致密化。

储热用陶瓷封装材料在LiNO_3熔盐中的腐蚀特性研究

通过直接烧结法制备并研究了储热用Al_2O_3陶瓷封装材料在熔融LiNO_3中的腐蚀过程。X射线衍射分析和扫描式电子显微镜(SEM)分析发现,制备的陶瓷封装材料化学组成稳定,其成分主要为硅酸盐矿物。该封装陶瓷的熔盐浸泡试验表明,随着浸泡时间的延长,陶瓷试样的质量先增加后降低。当浸泡时间为10 h时,其质量增加了2.4%,而当浸泡时间延长至50 h时,其质量在初始质量的基础上减少了1.9%,并于100 h时减少了2.3%。通过SEM形貌分析可知,随着浸泡时间的延长,其表面逐渐被腐蚀。以上结果表明,制备的陶瓷具有较好的热稳定性能,可以作为蓄热熔盐的封装材料。

封装剂和PCM与陶瓷蓄热材料适应性的研究

储热材料是塔式太阳能热发电技术的核心材料之一。采用模压法制备陶瓷空心球,将相变材料(NaCl、Na_(2)SO_(4)、K_(2)SO_(4))封装其中,制备出潜-显热复合蓄热陶瓷球材料,对封装剂与陶瓷基体的结合性,相变材料与陶瓷基体适应性及热循环性能展开研究。结果表明:高温熔剂添加量为40%时,高温封装过程中产生的液相量适中,封装剂与基体形成过渡层,封装剂与基体材料之间结合性能较好。相变材料与陶瓷基体的相适应性研究表明:NaCl、Na_(2)SO_(4)和K_(2)SO_(4)与基体材料不发生化学反应;陶瓷基体材料表面因氧化产生100~300μm的氧化层,熔盐通过陶瓷基体氧化后产生的孔隙渗透到氧化层内,其渗透层厚度与氧化层厚度一致,二者适应性良好。

Si粉对太阳能热发电用SiC基陶瓷储热材料热导率的影响

太阳能热发电储热陶瓷材料既要有良好的机械性能、较高的热稳定性,同时又必须具有较高的热导率,以便实现快速的储热和放热,提高储热效率。传统无压烧结法制备的SiC陶瓷材料虽成本较低,但致密度低及热导率远低于高温高压制备的致密化SiC陶瓷。引入结合相或烧结助剂可提高传统无压烧结SiC陶瓷热导率。本研究在SiC基储热陶瓷中引入Si粉,采用XRD、SEM及FE-SEM等研究了Si粉添加量对SiC基复相储热陶瓷结构与性能的影响规律。结果表明,SiC基储热陶瓷中添加Si粉,可改善储热陶瓷结构与性能,当Si粉的添加量达到质量分数4%时(E4),样品的结构与性能较佳,抗折强度为182.56 MPa,体积密度达到2.54g/cm^(3),热导率为13.44 W/(m·K),储热密度高达1020.56kJ/kg。SiC颗粒表面生成SiC晶须属VSL机制,通过SiC表面晶须的桥联作用,提高了SiC基复合储热陶瓷材料的热导率。