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《武汉理工大学》 2011年
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太阳能潜—显热储热复相陶瓷的研究

方斌正  
【摘要】:太阳能具有资源丰富、取之不尽、用之不竭、不会污染环境和破坏生态平衡等优点。太阳能热发电是最可能引起能源革命、实现大功率发电、替代常规能源的最经济手段之一。但是太阳能具有间歇性和不稳定性的特点,必须使用蓄热材料来提高太阳能的利用率及降低使用成本。而显热储热材料存在储热密度和储热效率低等不足之处,单一的相变材料在使用时会发生固态-液态间的相互转化,必须使用专门的容器加以封装,这不但会增加传热介质与相变材料之间的热阻,提高热损耗降低传热效率,而且易发生过冷、相分离、老化和容器腐蚀等问题,特别是高温相变材料,热损耗和容器腐蚀问题极其严重,大大增加了固-液相变材料的使用成本。 基于单一的显热或潜热储热材料的不足,本文研究制备了太阳能潜热-显热复合储热陶瓷材料,研究了不同的配方组成和烧成温度对Al2O3-ZrO2(AZ系)和Al2O3-SiC-ZrO2(ASZ系)两个系列复合陶瓷材料的结构、性能的影响,研究了相变材料的性能,研究了封装剂的配方组成、成型方式、烧成制度及其与基体材料的结合机理,设计了相变材料在蜂窝陶瓷基体中不同的填充方式和填充量,计算了材料相应的潜-显热储热密度。 以α-Al203、部分稳定氧化锆(PSZ)(Y2O35.2%)、红柱石、高岭土、堇青石、桂广滑石为主要原料,设计了AZ系列配方组成,干法球磨、半干压成型,采用无压烧结法制备AZ系复合陶瓷材料。利用XRD、SEM等测试手段对AZ系配方样品进行了性能和微观结构测试。结果表明,微米级部分稳定氧化锆的加入会显著提高样品的机械强度,堇青石的加入会显著提高样品的抗热震性能,加入20wt%的微米级氧化锆比加入10wt%的微米级氧化锆更有利于提高样品的机械强度,加入20wt%的堇青石比加入10wt%的堇青石更有利于提高样品的抗热震性能。当微米氧化锆和堇青石添加量各为10wt%时,在1340℃烧成温度下保温2h可制备出性能优良的AZ系蓄热陶瓷基体材料(B4配方),这种材料的气孔率为31.48%、吸水率为12.59%、体积密度为2.50g·cm-3、抗折强度为60.83MPa、热震(室温~800℃,气冷)30次不开裂,且热震后抗折强度为68.83MPa(强度增长率为13.15%),样品的热膨胀系数为5.26×10-6℃-1,且在600℃时,比热容为0.28kJ·(kg·K)-1、导温系数为0.01cm2·s-1、导热系数为0.45W·(m·K)-1蓄热密度为240.42kJ·kg-1。相组成分析表明样品主晶相为刚玉、四方氧化锆、红柱石、莫来石、堇青石。SEM研究结果表明,B4配方样品热震前后均较致密,少量连通气孔,气孔尺寸为零点几μm~50μm,晶粒之间生长发育良好,晶粒尺寸为10μm~80μm,被少量玻璃相包裹紧密连接,球状的氧化锆晶体与氧化铝晶体呈晶间型紧密连接,赋予了样品较高的强度和抗热震性。可作为太阳能热发电用蓄热材料的基体材料。 以α-Al2O3、PSZ(Y2O35.2%)、碳化硅、红柱石、堇青石、桂广滑石为主要原料,设计了ASZ系列配方组成,干法球磨、半干压成型,采用无压烧结法制备ASZ系复合陶瓷材料。利用XRD、SEM等测试手段对ASZ系配方样品进行了性能和微观结构测试。结果表明,随着碳化硅含量的增加,样品的机械强度逐渐增加,抗热震性能也有所改善;当碳化硅添加量为50wt%时,在1280℃烧成温度下保温2h可制备出性能优良的ASZ系蓄热陶瓷基体材料(C5配方),这种材料的气孔率为24.88%、吸水率为10.44%、体积密度为2.38g·cm-3、抗折强度为66.20MPa、热震(室温~800℃,气冷)30次不开裂,且热震后抗折强度为76.99MPa(强度增长率为27.89%),样品的热膨胀系数为5.85×10-6℃-1,且在600℃时,比热容为1.05kJ·(kg·K)-1、导温系数为0.01cm2·s-1、导热系数为2.26W·(m·K)-1、蓄热密度为916.91kJ·kg-1。相组成分析表明样品主晶相为刚玉、碳化硅、硅酸锆、莫来石、堇青石。SEM研究结果表明,C5配方样品热震前后均较致密,少量连通气孔,气孔尺寸为零点几μm~50μm,晶粒之间生长发育良好,晶粒尺寸为10μm~80μm,被少量玻璃相包裹紧密连接,球状的氧化锆晶体与氧化铝晶体呈晶间型紧密连接,赋予了样品较高的强度和抗热震性。满足太阳能热发电用蓄热材料的基体材料要求。 以C5配方为主要原料,加入不同量的高温粘结剂A,设计了封装剂配方组成,采用塑压成型和两段式烧成技术制备样品。利用测试样品抗热震性和SEM显微结构研究分析了封装剂与基体材料的结合性。结果表明:加入30wt%高温粘结剂A的封装剂与基体材料结合性良好,其它5组配方样品均出现不同程度的开裂或分层现象。计算了相变材料在蜂窝陶瓷中填充在不同位置和不同含量后的材料的储热密度,结果表明,随着相变材料封装量的增加,潜热-显热复合陶瓷的储热密度增加;随着温度的升高,储热密度也随着提高。当相变材料填充了蜂窝陶瓷的2/3孔洞及每个孔洞填充2/3容积时,温度为600℃时,最佳配方C5样品的储热密度为1132.16kJ·kg-1,温度升至1000℃时,最佳配方C5样品的储热密度为1590.80 kJ·kg-1。研究结果表明,ASZ陶瓷封装PCM的潜热-显热复相陶瓷储热密度显著高于单一的显热或潜热储热密度,是一种优良的太阳能高温储热材料。
【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】:TQ174.75

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