太陽(yáng)能熱發(fā)電莫來(lái)石—堇青石復(fù)合陶瓷管道材料的制備及性能研究.pdf

1、塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)要求輸熱管道能夠承受1000℃以上的高溫并具有良好的抗熱震性能。本論文基于太陽(yáng)能熱發(fā)電輸熱管道材料結(jié)構(gòu)與性能的要求，首先低溫原位合成了莫來(lái)石陶瓷和高溫堇青石陶瓷，然后以低溫莫來(lái)石和高溫堇青石的最優(yōu)配方為基礎(chǔ)，通過(guò)不同配比設(shè)計(jì)原位合成莫來(lái)石-堇青石復(fù)合陶瓷并對(duì)其抗熱震性能進(jìn)行了表征。為進(jìn)一步提高復(fù)合陶瓷的熱震性能，對(duì)莫來(lái)石-堇青石復(fù)合陶瓷進(jìn)行了改性研究，制得了抗熱震性能更好的改性太陽(yáng)能熱發(fā)電莫來(lái)石-堇青石復(fù)合陶瓷管道材

2、料，對(duì)影響太陽(yáng)能熱發(fā)電莫來(lái)石-堇青石復(fù)合陶瓷管道材料的燒結(jié)性能、力學(xué)性能、抗氧化性能、耐腐蝕性能、抗熱震性能和粘結(jié)性能的因素進(jìn)行了研究。利用XRD、SEM、EDS、EPMA、DSC等現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)研究了材料組成、制備工藝、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，探討了材料抗熱震機(jī)理和粘結(jié)機(jī)理。本論文取得的主要成果和創(chuàng)新點(diǎn)有:
　　 (1)通過(guò)原位合成法分別制備了低溫莫來(lái)石和高溫堇青石，提出了以軟瓷為基礎(chǔ)制備低溫莫來(lái)石陶瓷的方法，并利用不同鋁源篩選了高溫

3、堇青石最佳配方組成。系統(tǒng)研究了無(wú)壓燒結(jié)條件下，通過(guò)添加不同含量的α-Al2O3對(duì)合成莫來(lái)石陶瓷的影響，探討了其抗熱震性能及機(jī)制。研究表明，典型莫來(lái)石陶瓷配方A3經(jīng)1340℃燒結(jié)樣品的氣孔率達(dá)0.12％，吸水率為0.04％，體積密度為2.71g/cm3，抗折強(qiáng)度達(dá)94.82 MPa，30次熱震后強(qiáng)度損失率為60％（室溫-1100℃空冷），樣品的抗熱震性差，主晶相是莫來(lái)石、次晶相是剛玉和石英。通過(guò)篩選不同的鋁源，按照堇青石計(jì)量比原位合成了高

4、溫堇青石，結(jié)果表明最佳配方B1的主晶相為堇青石和鐵堇青石，經(jīng)1420℃燒成后的樣品的吸水率為2.35％，氣孔率為5.04％，體積密度為2.14g/cm3，抗折強(qiáng)度為82.44MPa，經(jīng)30次熱震強(qiáng)度不減反增了5％?？篃嵴饳C(jī)理研究表明，莫來(lái)石陶瓷抗熱震屬于微裂紋和納米棒復(fù)合增韌機(jī)制，堇青石陶瓷屬于微裂紋增韌機(jī)制。
　　 (2)在低溫制備莫來(lái)石和高溫制備堇青石的基礎(chǔ)上，采用A3和B1的不同配比設(shè)計(jì)了C系列莫來(lái)石-堇青石復(fù)合陶瓷配方組

5、成，原位合成了莫來(lái)石-堇青石復(fù)合陶瓷，并對(duì)樣品的組成，結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明，經(jīng)1300℃燒成后的樣品C5的吸水率為0.142％，氣孔率為0.364％，體積密度為2.56g/cm3，抗折強(qiáng)度為121.08MPa，經(jīng)30次抗熱震后（室溫-1100℃空冷），樣品的抗折強(qiáng)度為110.53MPa，樣品強(qiáng)度的損失率為8％，強(qiáng)度和抗熱震損失率介于A3和B1之間。熱震性能研究表明，復(fù)合陶瓷屬于微裂紋-納米晶須復(fù)配增韌機(jī)制。
　

6、　 (3)在C系列的研究基礎(chǔ)上，按照計(jì)量比設(shè)計(jì)了不同配比的堇青石和莫來(lái)石D系列，采用原位合成法對(duì)莫來(lái)石-堇青石復(fù)合陶瓷進(jìn)行改性，并對(duì)組成、結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，1300℃保溫3h燒成的最佳樣品D3，其主晶相是堇青石和莫來(lái)石，次晶相是剛玉;吸水率為0.14％，氣孔率為0.44％，體積密度為2.55g/cm3，抗折強(qiáng)度為124.09MPa，耐腐蝕性好，經(jīng)30次抗熱震后（室溫-1100℃空冷），樣品強(qiáng)度的損失率為2％，與

7、C系列相比抗熱震性顯著提高?？篃嵴鹦阅苎芯勘砻?，改性陶瓷屬于微裂紋-晶粒彌散復(fù)合增韌機(jī)制。
　　 (4)為進(jìn)一步提高復(fù)合陶瓷抗熱震性，減少?gòu)?fù)合陶瓷中的玻璃相，促進(jìn)堇青石微晶的生長(zhǎng)，對(duì)D3樣品采用不同的保溫時(shí)間進(jìn)行了熱處理研究。并對(duì)其用作太陽(yáng)能熱發(fā)電的重要性能如氣孔率，力學(xué)性能，耐腐蝕性能，抗氧化性能，抗熱震性能及相關(guān)機(jī)制等進(jìn)行了探討。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)保溫9h的配方D3體現(xiàn)出優(yōu)異的性能，樣品的吸水率為0.09％，氣孔率為0.22％，

8、體積密度為2.56g/cm3，1100℃高溫100h氧化失重率＜0.4％，20wt％ H2SO4和10wt％ NaOH腐蝕失重百分率分別為0.06％和0.05％，抗折強(qiáng)度為121.97MPa，經(jīng)30次抗熱震后（室溫-1100℃空冷），強(qiáng)度不減反增了1％，表明經(jīng)再次熱處理太陽(yáng)能管道材料莫來(lái)石-堇青石復(fù)合陶瓷抗熱震性顯著提高。復(fù)合陶瓷抗氧化性、耐腐蝕性和抗熱震性研究表明:氧化失重是由于堿金屬氧化物揮發(fā)的結(jié)果，由于堇青石晶體結(jié)構(gòu)的影響，復(fù)合陶

9、瓷材料耐堿性比酸性好，多次熱震可以促進(jìn)D3樣品中的堇青石釋放出玻璃相形成微裂紋，從而提高陶瓷的抗熱震性能。顯微結(jié)構(gòu)分析表明，延長(zhǎng)保溫時(shí)間能促進(jìn)晶粒的生長(zhǎng)，但是保溫時(shí)間超過(guò)5h時(shí)，部分堇青石又分解出玻璃相導(dǎo)致常溫抗折強(qiáng)度下降。
　　 (5)以D3配方樣品為管道材料，通過(guò)篩選無(wú)機(jī)粘結(jié)劑，對(duì)D3樣品的粘結(jié)性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明耐火泥具有最好的粘結(jié)劑性能，其常溫粘結(jié)強(qiáng)度和1100℃粘結(jié)強(qiáng)度分別為3.052MPa和6.62MPa，EPMA