太阳能高效吸热陶瓷材料及吸热器的设计与研究

摘要

在塔式太阳能热发电用空气吸热器中，吸热体材料是吸热器核心部件。由于塔式吸热器聚光能流密度不均匀性和不稳定性形成的吸热体局部热斑造成材料热应力破坏、空气流动稳定性差以及耐久性不高等问题，因而需迫切的开发具有抗高温氧化性好、抗热震性好、具有三维或者二维的连通结构、高比表面以及高热导率的新型吸热体材料。基于太阳能热发电吸热器的特点及对吸热体材料的要求，本文设计了用于塔式太阳能热发电系统的吸热体材料配方组成。实验中以Si3N4和SiC为基材，以红柱石、α-Al2O3、 Y2O3以及Cr2O3等为添加剂，合成耐高温结合相，制备了可用于塔式太阳能热发电吸热体陶瓷材料。采用现代测试技术研究了用于塔式太阳能热发电系统的陶瓷吸热体材料料的组成、制备工艺对微观结构与性能的影响规律，探讨了提高陶瓷吸热体材料料抗氧化性及抗热震性的机理、途径。研制了适合塔式太阳能热发电用吸热体泡沫陶瓷。设计了高效容积式吸热器结构，以空气作为传热介质，利用本文所制备泡沫陶瓷为吸热体，采用Ansys Workbench对吸热体及吸热器温度场、压强场以及速度矢量场进行了模拟分析。本文的主要研究成果如下:
　　(1)本文首先研究了以Si3N4和SiC为主要原料，红柱石和α-Al2O3为添加剂，采用无压烧成工艺，制备了莫来石结合Si3N4-SiC陶瓷。实验设计了A系列配方组成，测试和分析了烧成样品抗热震性、抗氧化性、相组成以及微观结构等性能。结果显示，在空气中进行烧成时，Si3N4和SiC复相陶瓷含有大量的石英玻璃相，导致烧成样品抗热震性能不佳。
　　(2)研究了提高复相陶瓷材料抗热震性能途径。实验在A系列实验基础上，通过外加煅烧铝矾土提供铝源，使得高温反应过程中，更多游离SiO2能够与Al2O3反应生成莫来石，从而降低样品中玻璃相量，提高样品抗热震性能。实验设计了B系列配方组成，分别研究了空气中无压烧成和埋粉烧成（用青岛石墨微粉将样品覆盖）两种烧成方式对烧成样品性能的影响规律。对埋烧样品研究表明，最佳样品为煅烧铝矾土添加量为15％的B3，其最佳烧成温度为1480℃，抗折强度为53.20MPa，1100℃至室温30次热震后样品抗折强度为87.86MPa，强度增加率为65.15％。相组成分析表明，样品热震前晶相为碳化硅、氮化硅以及莫来石，样品热震后晶相为碳化硅、氮化硅、方石英以及莫来石。热震后产生少量石英相，填充于气孔中，覆盖于Si3N4和SiC晶粒表面，阻止它们的进一步氧化，从而提高了样品抗热震性。采用埋粉烧成方法，可以减少烧成样品中石英玻璃相的含量，可显著提高样品抗热震性。
　　(3)研究了提高吸热体复相陶瓷材料致密度的方法。在B3配方基础上，通过添加各种添加剂，设计了F系列配方组成。研究结果显示，在B3配方中添加Y2O3，并采用埋烧工艺，可以极大提高烧成样品致密度，其致密度从2.06g.cm-3提升至2.57g.cm-3。最佳样品为外加9％Y2O3的F3，其最佳烧成温度为1500℃，抗折强度为100.02MPa。相组成分析表明，样品晶相为碳化硅、氮化硅、O'-塞隆及莫来石。样品断面SEM图显示样品结构紧密，样品晶界结合相以O'-塞隆为主，这种结合方式有助于烧成样品致密度的提高。
　　(4)研究了提高吸热体陶瓷抗氧化性能方法。在F1和F3配方基础上，设计了G系列配方组成，研制结果表明，Cr2O3和Y2O3复合添加有利于提高复相陶瓷材料抗氧化性能。实验最佳配方为G1，其最佳烧成温度为1500℃，抗折强度为157.04MPa。在1300℃氧化100h后其氧化速率常数为1.7389mg2·cm-4·h-1，抗氧化性能优于改性前A、B、及F系列样品。样品的相组成以碳化硅、氮化硅、莫来石以及O'-塞隆为主。复合添加Cr2O3和Y2O3可以在样品表面形成一层保护膜，使得O在样品表面的扩散速率降低，从而提高烧成样品抗氧化性能。
　　(5)研究了提高复相陶瓷材料抗热震性能的途径。实验中，通过在样品中引入ZrO2，利用ZrO2随温度变化时产生的微裂纹来增韧复相陶瓷材料，达到提高复合材料抗热震性能的目的。设计了H系列配方组成。研制结果表明，在G1配方基础上外加8％ ZrO2及7.26％Y2O3时的H3配方，样品抗热震性能显著提高。经1480℃烧成的H3样品，抗折强度为100.26MPa，1100℃至室温经30次热震后，样品抗折强度不减反增，增加率为10.34％。样品的相组成均为碳化硅、氮化硅、莫来石以及O'-塞隆，同时还存在少量石英相。显微结构及EPMA结果表明添加ZrO2、Cr2O3以及Y2O3对样品形核作用明显，三种氧化物复合添加有利于形成花簇状和网络状结构固溶体，这种结构有助于样品抗热震性能的改善和提高。
　　(6)制备和研究了适合塔式太阳能热发电用吸热体泡沫陶瓷。实验分别以最佳配方G1、H3以及流变剂为原料制备料浆，以聚氨酯泡沫为前驱体，采用有机泡沫浸渍工艺，制备了泡沫陶瓷吸热体材料。研究结果显示，利用G1配方浆料所制备泡沫陶瓷性能较优。最佳烧成温度为1500℃，气孔率为93.7％，抗压强度为0.27MPa，30次热震后抗压强度为0.30MPa。烧成后泡沫陶瓷主晶相为碳化硅、氮化硅、莫来石以及O'-塞隆相。G1泡沫陶瓷宏观结构及显微结构研究表明，泡沫陶瓷气孔均匀，孔径在1～3mm之间，孔肋骨架较粗壮，样品骨架较致密，有利于泡沫陶瓷强度提高。可望用作塔式太阳能热发电系统的陶瓷吸热体材料，解决目前吸热体材料抗高温氧化差以及抗热震性能差的不足。
　　(7)设计了高效容积式吸热器结构，以空气作为传热介质，利用本文制备泡沫陶瓷为吸热体，采用Ansys Workbench对吸热体及吸热器温度场、压强场以及速度矢量场进行了模拟分析。设计吸热器开口角度为50°，吸热器进口直径为180cm，吸热器出口直径为50cm，吸热体总长为110cm。对不同孔隙率Si3N4-SiC复合材料吸热体温度场模拟结果显示，孔隙率越大，吸热体出口处空气温度越高。对不同孔隙率吸热体对吸热器压强分布分析显示，孔隙率越高，吸热器进出口压降越小，越有利于吸热器的强化换热，有利于吸热器换热效率的提高。同时，对孔隙率为0.95时，进口空气速度与吸热器压强分布的模拟结果显示，当进口空气速度在5～8m/s时，有利于吸热器的稳定工作。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的目的及意义

1．2 国内外研究现状及发展趋势

1．2．1 太阳能热发电吸热器材料的研究现状及发展趋势

1．2．2 Si3N4结台SiC陶瓷材料研究现状及发展趋势

1．2．3 泡沫陶瓷研究现状及发展趋势

1．2．4 吸热器结构研究现状及发展趋势

1．2．5 塔式太阳能热发电吸热器流体流动分析研究进展

1．3 本文研究的主要内容

第2章 复相陶瓷吸热体材料性能及结构表征

2．1 基本性能测试

2．1．1 烧成收缩率测试

2．1．2 强度测试

2．1．3 气孔率及体积密度测试

2．2 抗热震性测试

2．3 热膨胀系数测试

2．4 抗氧化性测试

2．5 热物理性能测试

2．6 耐火度测试

2．7 材料相组成及显微结构分析

2．7．1 相组成分析(XRD分析)

2．7．2 微观结构分析(SEM分析)

2．7．3 微区成分分析(EPMA分析)

第3章 莫来石结合Si3N4-SiC吸热陶瓷材料的制备及研究

3．1 实验

3．1．1 实验所用原料

3．1．2 配方组成设计

3．1．3 制备工艺

3．2 性能及显微结构测试

3．2．1 烧成收缩率测试

3．2．2 抗折强度、气孔率及体积密度测试及外观分析

3．2．3 抗热震性测试

3．3 结果分析与讨论

3．3．1 样品烧成收缩性能分析

3．3．2 Pa、D、抗折强度以及外观分析

3．3．3 样品抗热震性分析

3．3．4 热膨胀性分析

3．3．5 抗氧化性分析

3．3．6 相组成分析

3．3．7 显微结构研究

3．3．8 样品成分分析

3．4 本章小结

第4章 莫来石结合Si3N4-SiC吸热陶瓷材料烧成方式研究

4．1 实验

4．1．1 配方组成设计

4．1．2 制备工艺设计

4．2 性能及显微结构测试

4．2．1 烧成收缩率测试

4．2．2 抗折强度、气孔率、体积密度测试及外观分析

4．2．3 抗热震性测试

4．3 结果分析与讨论

4．3．1 样品烧成收缩性能分析

4．3．2 样品Pa和D以及外观分析

4．3．3 样品抗折强度分析

4．3．4 样品抗热震性分析

4．3．5 样品热膨胀系数分析

4．3．6 抗氧化性分析

4．3．7 相组成分析

4．3．8 显微结构研究

4．3．9 样品成分分析

4．4 本章小结

第5章 改善Si3N4-SiC吸热陶瓷材料致密度的途径

5．1 实验

5．1．1 实验所用原料

5．1．2 制备工艺

5．2 性能及显微结构测试

5．2．1 干燥收缩率及烧成收缩率测试

5．2．2 抗折强度、Pa、D及外观分析

5．2．3 抗热震性测试

5．3 结果分析与讨论

5．3．1 样品烧成收缩性能的分析

5．3．2 样品Pa和D的分析

5．3．3 样品抗折强度分析

5．3．4 样品抗热震性分析

5．3．5 样品热膨胀系数分析

5．3．6 抗氧化性分析

5．3．7 热物理性能分析

5．3．8 样品耐火度分析

5．3．9 样品致密化机理研究

5．3．10 显微结构分析

5．3．11 样品成分分析

5．4 本章小结

第6章 提高Si3N4-SiC吸热陶瓷材料抗氧化性研究

6．1 实验

6．2 性能及显微结构测试

6．2．1 烧成收缩率测试

6．2．2 抗折强度、气孔率及体积密度测试

6．2．3 抗热震性测试

6．3 结果分析与讨论

6．3．1 影响样品烧成收缩性能的因素

6．3．2 样品Pa、D以及外观分析

6．3．3 样品抗折强度及抗热震性分析

6．3．4 热膨胀系数分析

6．3．5 抗氧化性分析

6．3．6 热物理性能分析

6．3．7 样品耐火度分析

6．3．8 抗氧化机理研究

6．3．9 显微结构分析

6．3．10 样品成分分析

6．4 本章小结

第7章 氧化锆增韧Si3N4-SiC吸热陶瓷材料研究

7．1 实验

7．2 性能及显微结构测试

7．2．1 样品烧成收缩率测试

7．2．2 气孔率及体积密度测试

7．2．3 抗热震性测试

7．3 结果分析与讨论

7．3．1 样品烧成收缩及Pa和D分析

7．3．2 影响样品抗折强度及抗热震性分析

7．3．3 影响样品热膨胀系数的因素

7．3．4 抗氧化性分析

7．3．5 热物理性能分析

7．3．6 影响样品耐火度的因素

7．3．7 样品的相组成分析

7．3．8 样品的显微结构分析

7．3．9 样品成分分析

7．4 本章小结

第8章 太阳能热发电用Si3N4-SiC复相泡沫陶瓷吸热体的研制

8．1 实验

8．1．1 前驱体的选择

8．1．2 样品制备

8．2 泡沫陶瓷的性能分析

8．2．1 泡沫陶瓷气孔率分析

8．2．2 抗压强度分析

8．2．3 抗热震性测试及分析

8．2．4 相组成分析

8．2．5 宏观结构及显微结构分析

8．3 本章小结

第9章 容积式吸热器设计及性能分析

9．1 太阳能容积式吸热器结构设计

9．2 太阳能容积式吸热器的热性能分析

9．2．1 吸热体传热换热模型

9．2．2 吸热体流体模型

9．3 计算结果与分析

9．3．1 吸热器温度场分析

9．3．2 吸热器压强及流体场分析

9．4 本章小结

第10章 全文结论及展望

10．1 全文结论

10．2 本文创新点

10．3 下一步工作建议

参考文献

致谢

附录A 攻读博士学位期间发表的论文及专利