低輻射高吸收太陽(yáng)能高溫陶瓷涂層材料的研究.pdf

1、太陽(yáng)能是一種無(wú)環(huán)境污染、儲(chǔ)量極為豐富的可再生能源,可轉(zhuǎn)換成各種形式的能量加以利用。其中,太陽(yáng)能熱發(fā)電是當(dāng)前最為廣泛的應(yīng)用之一。太陽(yáng)集熱器作為太陽(yáng)熱發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)件,其效率直接受選擇性吸收涂層的影響。然而,受材料性能、微觀結(jié)構(gòu)和制備方法的影響,大多數(shù)涂層僅局限于中低溫應(yīng)用中,不能滿足太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的服役要求。因此,急需探索一種新的材料體系,研發(fā)一種高溫性能穩(wěn)定、太陽(yáng)吸收率較高、生產(chǎn)成本較低的新型高溫選擇性吸收涂層材料,以促進(jìn)我國(guó)太陽(yáng)能

2、熱發(fā)電技術(shù)中核心技術(shù)的發(fā)展。
　　 本文以碳化硅、蘇州高嶺土、α-Al2O3和滑石為主要原料制備了原位堇青石結(jié)合碳化硅復(fù)相陶瓷涂層材料,測(cè)試了樣品的吸水率、氣孔率、體積密度、抗折強(qiáng)度、抗熱震性能、熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、吸收率和發(fā)射率等性能,并結(jié)合XRD、SEM對(duì)其抗熱震機(jī)理進(jìn)展了初步探討。當(dāng)堇青石引入量為10wt％時(shí),經(jīng)1300℃燒成的最佳配方Al(SiC90wt%、滑石3.97wt%、蘇州高嶺土4.82wt%,α-Al2O31

3、.21wt%)樣品的Wa、Pa、Db分別為10.20%、21.81%、2.14g·cm-3,抗折強(qiáng)度為102.36 Mpa,熱膨脹系數(shù)為6.25×10-6℃-1,室溫時(shí)的熱導(dǎo)率為7.50W·(m·K)-1,吸收率高達(dá)0.788。A系列樣品的主晶相為α-SiC、β-堇青石(2MgO·2Al2O3·5SiO2)和方石英(α-SiO2)。熱震30次后(室溫～1000℃,風(fēng)冷),樣品的主晶相未發(fā)生變化,但衍射圖譜略有彌散,Al樣品強(qiáng)度增加了37

4、.87%,熱震后強(qiáng)度不減反增的原因可能是:①原料中的蘇州高嶺土和滑石都含有較多的TiO2,反復(fù)的熱震試驗(yàn)使鋁硅酸鹽玻璃相高溫下在TiO2等成核劑的促進(jìn)下合成了更多的堇青石;②熱震循環(huán)中有類似退火的步驟,從而提高了樣品的強(qiáng)度;③當(dāng)熱震次數(shù)超過(guò)某一值后,熱震次數(shù)越多就越接近淬火強(qiáng)化的效果;④微裂紋、氣孔孔徑減小以及氣孔中堇青石和莫來(lái)石晶體的生成導(dǎo)致樣品的熱應(yīng)力裂紋安定性因子Rst增大,從而使樣品具有較好的抗熱震性能。
　　 為了進(jìn)一

5、步降低材料的熱發(fā)射率,在A系列配方的基礎(chǔ)上,添加BN和H3BO3改性制備涂層材料,設(shè)計(jì)了B和C系列配方,B系列配方中的SiC為325目,C系列配方中的SiC為240目。采用XRD和SEM等現(xiàn)代測(cè)試手段對(duì)材料的性能和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。結(jié)果表明,經(jīng)1300℃燒成的B3(325目SiC90wt%、滑石3.97wt%、蘇州高嶺土4.82wt%,α-Al2O31.21wt%,硼酸1wt%)樣品的抗折強(qiáng)度為74.31MPa,1300℃燒成的C3(

6、240目SiC90wt%、滑石3.97wt%、蘇州高嶺土4.82wt%,α-Al2O31.21wt%,硼酸1wt%)樣品的抗折強(qiáng)度為50.17Mpa、室溫時(shí)的熱導(dǎo)率達(dá)18.27W·(m·K)-1。經(jīng)30次熱震后(室溫～1000℃,風(fēng)冷),C4(240目SiC90wt%、滑石3.97wt%、蘇州高嶺土4.82wt%,α-Al2O31.21wt%,硼酸2wt%)樣品的強(qiáng)度損失率均為負(fù)值,表明熱震后的強(qiáng)度不減反增,增加率為7.42%。結(jié)合XR

7、D和SEM分析可知,C4樣品中碳化硅的特征峰強(qiáng)基本沒(méi)有變化,而方石英的特征峰有所降低,并且產(chǎn)生了新的晶相—唯理論藍(lán)晶石,有效地提高了樣品的強(qiáng)度,因此熱震后的強(qiáng)度不減反增。添加BN和H3BO3改性后,樣品的導(dǎo)熱通路與網(wǎng)絡(luò)更多,因此導(dǎo)熱性能得到顯著改善。隨著SiC顆粒尺寸的減小,即SiC顆粒單位體積表面積增加,復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能有所降低。
　　 抗氧化性能研究表明:在1000℃時(shí)氧化的碳化硅基復(fù)相陶瓷材料的鈍性氧化速度表現(xiàn)出不完全滿

8、足拋物線的規(guī)律,抗氧化性強(qiáng)弱的順序?yàn)?C3＞C1＞C4＞B3＞C2＞B1＞B4＞B2。從氧化后樣品表面的相組成分析可知,樣品表面經(jīng)1000℃、50h氧化后,B系列樣品的主晶相為α-SiC、α-方石英和硼酸鈉,C系列樣品的主晶相仍為α-SiC和α-方石英。微觀結(jié)構(gòu)分析表明,大顆粒SiC晶體表面氧化生成的玻璃相在材料表面形成一層液相薄膜,幾乎覆蓋了整個(gè)材料表面,它很好地彌合了材料表面的缺陷,鈍化了材料表面的微細(xì)裂紋,也保護(hù)了材料的內(nèi)部免遭連

9、續(xù)的氧化反應(yīng),材料表面的自愈合性能明顯增強(qiáng),極大地提高了樣品的抗氧化性。
　　 當(dāng)碳化硅含量為90wt%時(shí),樣品的吸收率達(dá)最高為0.788,當(dāng)碳化硅含量為70wt%時(shí),樣品的發(fā)射率最低為0.639,隨著碳化硅含量的減少,樣品的吸收率逐漸減小。添加BN和硼酸后,樣品表面形成的硼酸鹽玻璃相充當(dāng)了減反膜的角色,降低了樣品的發(fā)射率,而又提高了樣品的吸收率。隨著B(niǎo)N和H3BO3添加量的增加,樣品的吸收率逐漸升高,發(fā)射率逐漸降低:但是當(dāng)BN