熔融盐与常见氧化物及不锈钢相容性研究

摘要

熔融盐因其化学性质稳定，储热密度大，成本低廉等优点被广泛应用与工业生产中，但是由于其较强腐蚀性又会限制在太阳能热发电领域中的应用。本文旨在研究在碱金属硝酸盐与常见氧化物及不锈钢的相容性。
　　 本文首先选取了五种氧化物和三种不锈钢，并研究其在熔融硝酸盐中的腐蚀行为以及腐蚀之后熔盐的热物性变化。结果表明，硝酸盐与新型固体储热材料中主要成分相容性良好，熔融硝酸盐在600℃时依然较为稳定。在600℃保温8h后，五种氧化物均未与熔融硝酸盐直接发生化学反应，总体实验结果与热力学计算结果相符。不锈钢在与熔融硝酸盐浸泡720h后，通过与腐蚀前表面形貌对比，发现试样表面均并未出现明显腐蚀层，没有出现吸氧腐蚀后的针状，颗粒状腐蚀产物。腐蚀后试样表面依旧光滑，平整无点蚀坑，或者凸起，没有出现腐蚀产物堆积，腐蚀层覆盖表面的情况。实验中，以144h为时间间隔，取出金属试样处理后称重，绘制动力学曲线。三种不锈钢试样的腐蚀动力学曲线都符合直线规律，腐蚀产物随时间增加。金属试样表面没有完整保护膜，在腐蚀720h之后发现316L试样失重最为严重为3.25mg.cm-2，304失重最少1.01 mg.cm-2，这种失重程度不同的现象可能是由于不锈钢中Cr含量不同所导致，316LCr含量最少所以失重最为明显，310S中Cr含量相对较高则失重最少。
　　 选取失重最明显的试样316L进行XPS能谱分析，并进行蚀刻。通过XPS图谱腐蚀层主要成分为Fe2O3、 FeO、Cr2O3、 Na2CrO4。在试样表面和蚀刻3nm、6nm处均未发现Cr元素的图谱。结果表明，在金属腐蚀过程中，Cr并没有起到很好保护金属的作用，可能反应为:NaNO3+Cr2O3+O2=Na2CrO4+NOx。Na2CrO4与NaNO3形成Na2CrO4-NaNO3共晶盐系导致Na2CrO4熔点降低，形成贫Cr区，导致试样的腐蚀。同时，Raman图谱中的特征峰表示NO3-的V1振动，并未出现新的振动方式。说明该熔盐体系在与不同金属试样浸泡720h后并没有出现新的化合物，NO3-也并未与过渡区金属元素如Fe2+等形成络合离子产生配合键。混合硝酸盐在与金属试样浸泡720h后，混合硝酸盐成分稳定，没有新相的产生。在与316L浸泡后对应硝酸盐的KNO3晶型转变吸热焓略有增加，这可能是因为经过720h的浸蚀之后，熔融盐的成分发生变化，KNO3所占比例有所上升。各试样的相变吸热焓分别为102.481 J/g、93.815J/g、100.034 J/g，与浸泡前相比都稍有下降，下降比例分别为0.0034％、0.087％、0.027％，其中304不锈钢对熔盐的热物性影响最小，310S对熔盐影响略大。从实验结果来，熔融碱金属硝酸盐与不锈钢相容性良好。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 熔融盐的主要用途

1．3 熔融盐的种类和使用

1．4 国内外研究现状

1．4．1 熔融盐与金属材料的相容性研究

1．4．2 熔融盐与无机非金属材料的相容性性研究

1．4．3 熔融盐与固体蓄热材料(混凝土)的相容性研究

1．5 主要研究方法

1．6 相容性研究的展望

1．7 课题的研究目的和内容

1．7．1 课题研究目标和意义

1．7．2 研究目的和内容

第二章 熔融盐的结构

2．1 熔融盐的主要特性

2．2 熔融盐的结构模型

2．3 熔体结构的研究方法

2．3 本章小结

第三章 氧化物与熔融硝酸盐的相容性

3．1 高温下熔融硝酸盐体系可能存在反应

3．2 部分氧化物与熔融硝酸盐的热力学计算

3．3 氧化物与熔融硝酸盐相容性研究

3．3．1 实验设计

3．3．2 X射线衍射物相定性分析

3．3．3 实验耗材及仪器

3．3．4 结果分析与讨论

3．4 本章小结

第四章 常见不锈钢在熔融盐中的腐蚀行为

4．1 实验设计

4．2 实验耗材及仪器

4．3 试样的磨制

4．4 腐蚀动力学

4．5 试样表面形貌观察及分析

4．6 腐蚀产物分析

4．6．1 X射线光电子能谱仪

4．6．2 结果分析及讨论

4．7 本章小结

第五章 浸蚀实验对熔融硝酸盐热物性影响研究

5．1 实验路线

5．2 熔融硝酸盐的SEM研究

5．2．1 SEM测试技术

5．2．2 实验仪器

5．2．3 实验结果分析

5．3 熔融硝酸盐的拉曼光谱研究

5．3．1 Raman光谱测试技术

5．3．2 Raman谱图的特征

5．3．3．实验仪器

5．3．4 实验结果分析

5．4 熔融硝酸盐的DSC分析

5．4．1 DSC差示扫描量热法

5．4．2 DSC曲线影响因素

5．4．3 实验仪器

5．4．4 实验结果分析

5．5 本章小结

第六章 结论

致谢

参考文献