PCM-儲(chǔ)熱陶瓷相容性的研究.pdf

1、太陽(yáng)能具有清潔環(huán)保、無污染等特點(diǎn)，是各種新能源中最有希望替代化石能源的一種能源。太陽(yáng)能熱存儲(chǔ)技術(shù)是一種將太陽(yáng)輻射能以熱能形式存儲(chǔ)起來的技術(shù)，在熱存儲(chǔ)技術(shù)中儲(chǔ)熱材料是提高太陽(yáng)能熱利用效率的關(guān)鍵。本文研制了顯熱陶瓷與潛熱PCM(相變材料)復(fù)合儲(chǔ)熱材料，并探討了PCM與儲(chǔ)熱陶瓷的相容性機(jī)理。
　　本文根據(jù)對(duì)太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中的顯熱/潛熱復(fù)合儲(chǔ)熱子系統(tǒng)的性能要求，優(yōu)選本課題組研究成果，以新疆庫(kù)爾勒礦山300目紅柱石，廣東英德石英，桂廣滑石

2、，河南鶴壁煅燒鋁礬土及湖北丹江口325目碳化硅等為主要原料，并以CMC，桐油及水為添加劑，采用擠出成型，研制了堇青石質(zhì)、莫來石質(zhì)及碳化硅質(zhì)儲(chǔ)熱蜂窩陶瓷，表征了儲(chǔ)熱陶瓷的結(jié)構(gòu)與性能，探討了影響其性能及結(jié)構(gòu)的因素。優(yōu)選了一系列 PCM，通過熱力學(xué)計(jì)算挑選出 AlSi12作為相變材料。為保證高溫密封性能，設(shè)計(jì)了 F系列封裝劑，采用高溫封裝法對(duì)其進(jìn)行封裝，制得PCM/蜂窩陶瓷復(fù)合儲(chǔ)熱材料。對(duì)復(fù)合儲(chǔ)熱材料進(jìn)行了熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)，利用XRD、SEM、FE

3、SEM、EDS、TG-DSC等手段考察了PCM的熱穩(wěn)定性、PCM與陶瓷基體的相容性，并分析了其相容性機(jī)理。取得的研究成果如下：
　　(1)以桂廣滑石、紅柱石、英德石英及SiC等為主要原料，采用無壓燒結(jié)，再現(xiàn)了堇青石質(zhì)、莫來石質(zhì)及碳化硅質(zhì)B1~B5陶瓷坯體的物理力學(xué)性能，制得的陶瓷坯體經(jīng)燒成線收縮、吸水率(Wa)、氣孔率(Pa)、體積密度(D)、抗折強(qiáng)度(σb)、XRD及SEM等測(cè)試，結(jié)果表明：B系列陶瓷坯體在最佳燒成溫度時(shí)，燒成線

4、收縮小，Wa<0.46％，Pa<2.07%，D>2.42g·cm-3，σb>96.12MPa,物相組成分別為堇青石、莫來石及碳化硅，樣品結(jié)構(gòu)致密，晶體發(fā)育良好，各物相交織穿插，玻璃相銜接緊密，具有良好的力學(xué)性能，綜合再現(xiàn)性能優(yōu)異，有望用作太陽(yáng)能熱發(fā)電顯熱儲(chǔ)熱材料。
　　(2)為模擬實(shí)際使用情況，以B系列配方粉料為主要原料，采用擠出成型，微波定型工藝制備了蜂窩陶瓷，對(duì)擠出蜂窩陶瓷泥團(tuán)的可塑性和經(jīng)最佳燒成溫度燒成的蜂窩陶瓷樣品的物理性

5、能(Wa、Pa、D、a軸抗壓強(qiáng)度σa)及XRD、SEM等測(cè)試，結(jié)果表明：當(dāng)添加3%CMC，3%桐油，及23%~26%的水時(shí)，B系列蜂窩陶瓷泥團(tuán)的可塑性指標(biāo)大于22cm·kgf，具有良好的成型性能，經(jīng)最佳燒成溫度燒成后，其Wa介于1.17%～16.11%，Pa介于3.34%～27.95%，D介于1.80g·cm-3～2.8g·cm-3，σa介于10.34MPa～25.77MPa，熱震前后，蜂窩陶瓷樣品的物相組成不變，a軸抗壓強(qiáng)度符合GB/

6、T25994-2010要求，顯微結(jié)構(gòu)致密，各物相交織穿插，玻璃相銜接緊密，熱震前后基本無變化，具有良好的抗熱震性能，有望用于太陽(yáng)能熱發(fā)電陶瓷基體。
　　(3)針對(duì)制備的蜂窩陶瓷基體，以B系列蜂窩陶瓷基體孰料為主要原料，設(shè)計(jì)了F1～F5系列封裝劑配方,采用高溫快速封裝法制備了蜂窩陶瓷蜂窩陶瓷封裝劑，經(jīng)剪切強(qiáng)度及 SEM等測(cè)試，結(jié)果表明：F系列最佳封裝劑剪切強(qiáng)度在2.18MPa～4.83MPa。SEM顯示最佳封裝劑與基體均結(jié)合緊密，滿

7、足陶瓷墻地磚膠黏劑行標(biāo)JC/T547-2005中高低溫交變循環(huán)后壓縮剪切強(qiáng)度規(guī)定的2MPa，可用于封裝蜂窩陶瓷基體。
　　(4)采用第3章制得的蜂窩陶瓷基體，用第4章中制得的最佳封裝劑封裝優(yōu)選出的AlSi12，經(jīng)熱力學(xué)分析、氧化增重、FESEM、EDS及TG-DSC等測(cè)試，結(jié)果表明：經(jīng)100次循環(huán)后，AlSi12發(fā)生部分氧化，其氧化增重率在第一、二次熱循環(huán)時(shí)最大，此后，隨著熱震次數(shù)的增加，氧化增重率變?cè)诹泓c(diǎn)幾上下波動(dòng)，PCM通過毛

8、細(xì)管力作用滲透到基體孔洞之中，在孔洞內(nèi)沉積，填充了基體的氣孔，有效減緩了PCM的氧化劣化。同時(shí)，基體中的微量元素雜質(zhì)通過熱擴(kuò)散進(jìn)入合金成分中，引起AlSi12發(fā)生成分起伏，這種成分的起伏導(dǎo)致合金材料發(fā)生成分的偏析，偏析出來的Al單質(zhì)容易被氧化為Al2O3，Si單質(zhì)則在AlSi12中發(fā)生偏聚。氧化生成的Al2O3使得合金球體遭到破壞，同時(shí)還有相當(dāng)一部分的合金保持球狀。AlSi12累計(jì)劣化率在20.5%～60.3%之間，且呈現(xiàn)B3