利用东湖淤泥制备中温蓄热材料的研究

摘要

目前能源的匮乏已经成为全人类面临的一个巨大挑战。不可再生的矿物能源一直作为人类赖以生存的主要能源，在未来的百年，甚至几十年内矿物能源就有可能消耗殆尽。大力开发新型清洁能源以及提高能源利用效率势在必行。然而能源的供应与需求都具有较强的时间性，在很多情况下不能合理的利用，从而导致能源的大量浪费，例如在工业中就存在各种热能回收再利用以提高能源利用效率的需求。湖北省武汉市湖泊众多，为了改善湖泊生态需定期清淤工作。然而清淤产生的大量淤泥在露天污染环境，影响城市景观。针对以上能源及环境的两大难题，本课题提出了以东湖淤泥为主要原料，研制东湖淤泥质蜂窝陶瓷基体，封装相变材料(PCM)，制备用于中温段(80～250℃)使用的显-潜热蓄热材料。既解决了淤泥的安全处置问题，同时又可实现能源的高效利用。
　　 本文以东湖淤泥、新密煅烧铝矾土、桂广滑石、α-Al2O3、碳化硅为主要原料，添加了适量的增塑剂，润滑剂，经过练泥、陈腐，采用挤出的方式制备了蜂窝陶瓷坯体，经过烧成制备了东湖淤泥质蜂窝陶瓷基体材料。利用XRD、SEM等现代测试分析手段探讨了样品的不同配方组成以及制备工艺对样品的性能与结构的影响规律。在最佳配方B4的基础上，设计了蜂窝陶瓷的封装剂，探讨了封装剂与蜂窝陶瓷基体的相结合机理。以KNO3，NaNO3摩尔比为1∶1的混合盐为相变材料，将其封装入蜂窝陶瓷中。经过若干次冷热循环试验，相变材料仍能完好地存留在蜂窝陶瓷内部。计算了东湖淤泥质蜂窝陶瓷-相变材料复合蓄热材料的储热密度。
　　 对东湖淤泥的不同添加量对蜂窝陶瓷基体的结构、性能影响的研究表明，东湖淤泥的添加量越多，样品的烧成温度越低。B1配方中添加了58％的东湖淤泥，最佳烧成温度为1140℃，Wa为1.03％，Pa为1.29％，D在2.24g·cm-3。经过SEM和XRD分析表明B1样品中含有大量的石英晶体和玻璃相，导致B1样品抗热震性较差。经1360℃烧成的B4样品性能较优，其配方组成为东湖淤泥含量41％、新密煅烧铝矾土含量16％、桂广滑石含量28％、α-Al2O3含量15％。Wa为6.14％，Pa为7.89％，D为2.20g·cm-3，抗折强度为67.46MPa。经室温～500℃冷热循环（气冷）30次后没有开裂。热震后强度为63.9MPa，强度损失率为5.28％。经抗热震机理研究表明，B4样品的主晶相是堇青石、刚玉、镁铝尖晶石和石英。由于堇青石热膨胀系数较小，具有优异的抗热冲击能力，所以提高B4样品的抗热震能力。B4样品可以满足中温蓄热材料对于抗热震性的要求。
　　 以B4样品为基础，添加碳化硅提高热导率的研究表明添加10％的碳化硅可显著提高样品的热导率和抗折强度。未添加碳化硅的B4样品的热导率在36℃时为1.116 W·(m·K)-1，在300℃时为1.094W·(m·K)-1;添加了10％碳化硅的C2样品热导率在36℃时为1.854 W·(m·K)-1，在300℃时为1.789 W·(m·K)-1。对1360℃烧成的C2样品进行热膨胀系数测定，结果为5.15×10-6℃-1。对1360℃烧成的C2样品进行抗折强度测试表明，添加碳化硅可以提高样品的强度，抗折强度为82.87MPa。
　　 在C2配方中添加增塑剂、润滑剂，经过练泥、陈腐，采用挤出成型制备了蜂窝陶瓷坯体。经1360℃烧成，制备了东湖淤泥质蜂窝陶瓷基体。利用东湖淤泥、新密煅烧铝矾土、桂广滑石、α-Al2O3和水玻璃制备了蜂窝陶瓷的封装剂。采用KNO3，NaNO3摩尔比为1∶1的混合盐作为相变材料，将其封装在蜂窝陶瓷中。封装方式为填充孔洞数的50％，填充孔洞容积的50％。封装剂在空气中硬化，制得了由东湖淤泥质蜂窝陶瓷、相变材料组成的显-潜热复合蓄热材料。计算了显—潜热复合蓄热材料在0～36℃、0～80℃、0～190℃、0～250℃的蓄热密度，分别为147.55 kJ·kg-1、237.26 kJ·kg-1、378.45 kJ·kg-1、634.15 kJ·kg-1。对东湖淤泥质蜂窝陶瓷、相变材料组成的显-潜热复合蓄热材料的热循环实验表明，经过30次以上的冷热循环（室温～250℃）相变材料仍能完好的保留在蜂窝陶瓷内。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 本课题研究的目的和意义

1．2 国内外研究现状分析

1．2．1 淤泥的国内外研究及应用进展

1．2．2 蜂窝陶瓷的国内外研究与应用

1．2．3 中温蓄热材料的国内外研究进展

1．2．4 存在问题分析

1．3 本课题研究的主要内容

第2章 东湖淤泥组成、结构及工艺性能研究

2．1 东湖淤泥的化学组成分析

2．2 东湖淤泥原料的相组成及微观形貌分析

2．3 东湖淤泥的烧失量测定

2．4 东湖淤泥塑性测试

2．5 东湖淤泥烧成性能的研究

2．6 样品的性能测试

2．6．1 样品的干燥收缩与烧成收缩

2．6．2 吸水率、气孔率和体积密度的测定

2．6．3 抗折强度的测定

2．6．4 样品的相组成分析

2．7 结果分析与讨论

2．7．1 影响样品收缩性能的因素

2．7．2 影响样品吸水率、气孔率、体积密度的因素

2．7．3 影响样品抗折强度的因素

2．7．4 样品的相组成分析结果

2．7 本章小结

第3章 K(Na)-Al-Si系东湖淤泥质中温蓄热陶瓷的研究

3．1 实验

3．1．1 实验原料

3．1．2 样品的配方组成设计

3．1．3 样品的制备工艺流程

3．1．4 样品的烧成制度

3．2 样品的性能、结构及相组成测试

3．2．1 样品干燥收缩、烧成收缩的测定

3．2．2 吸水率、气孔率和体积密度的测定

3．2．3 抗折强度测试

3．2．4 样品的相组成分析

3．2．5 样品的显微结构分析

3．3 结果分析与讨论

3．3．1 影响样品收缩性能的因素

3．3．2 影响样品吸水率、气孔率、体积密度的因素

3．3．3 影响样品抗折强度的因素

3．3．4 样品的相组成研究

3．3．5 样品的显微结构分析

3．4 本章小结

第4章 Mg-Al-Si系东湖淤泥质中温蓄热陶瓷的研究

4．1 实验

4．1．1 实验原料

4．1．2 样品配方组成及其化学组成

4．1．3 样品的制备工艺流程

4．1．4 样品的烧成制度

4．2 样品的性能、相组成及微观结构测试

4．2．1 样品干燥收缩、烧成收缩的测定

4．2．2 吸水率、气孔率和体积密度的测定

4．2．3 抗折强度的测试

4．2．4 样品的相组成分析

4．2．5 样品的显微结构分析

4．2．6 样品的抗热震性能测试

4．3 结果分析与讨论

4．3．1 影响样品收缩性能的因素

4．3．2 影响样品吸水率、气孔率、体积密度的因素

4．3．3 影响样品抗折强度的因素

4．3．4 样品的相组成分析

4．3．5 样品的显微结构研究

4．3．6 样品的抗热震机理分析

4．3．7 热震后样品的相组成分析

4．3．8 热震后样品的显微结构分析

4．4 本章小结

第5章 提高东湖淤泥质中温蓄热陶瓷导热性的研究

5．1 实验

5．1．1 实验所用原料的化学组成

5．1．2 样品的配方组成和化学组成

5．1．3 样品的制备工艺流程

5．1．4 样品的烧成制度

5．2 样品的性能、相组成及微观结构测试

5．2．1 样品的吸水率、气孔率、体积密度测定

5．2．2 样品的抗折强度测试

5．2．3 样品的热膨胀系数测试

5．2．4 样品的导热系数测试

5．3 结果分析与讨论

5．3．1 影响样品的吸水率、气孔率、体积密度的因素

5．3．2 影响样品抗折强度的因素

5．3．3 影响样品热膨胀系数的因素

5．3．4 影响样品导热系数的因素

5．4 本章小结

第6章 东湖淤泥质蜂窝陶瓷-PCM复合蓄热材料的研制

6．1 蜂窝陶瓷的制备

6．2 封装剂的制备

6．3 样品的结构性能表征

6．3．1 样品的吸水率、气孔率、体积密度的测定

6．3．2 样品的轴向抗压强度的测定

6．3．3 样品的抗热震性能测试

6．3．4 封装剂显微结构测试

6．4 结果分析与讨论

6．4．1 影响样品吸水率、气孔率、体积密度的因素

6．4．2 影响样品轴向抗压强度和抗热震性能的因素

6．4．3 封装剂的显微结构分析

6．4．4 相变材料的选择

6．4．5 显-潜热复合蜂窝陶瓷蓄热性能研究

6．5 本章小结

第7章 全文结论及展望

7．1 全文结论

7．2 本文创新点

7．3 下一步工作建议

参考文献

致谢