【摘要】：能源和環(huán)境是制約人類社會可持續(xù)發(fā)展的兩大關鍵問題。陶瓷換熱器能夠顯著提高能源利用效率,降低能源消耗,減少污染排放,在化工、冶金、石油和電力等領域具有廣闊的應用前景。碳化硅(Silicon Carbide, SiC)陶瓷具有熱導率高、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損和化學穩(wěn)定性好等優(yōu)點,被認為是制備陶瓷換熱器,特別是用于高溫、強酸堿腐蝕及強磨損等惡劣工況換熱器較為理想的材料。本論文的目的是通過配方組成和制備工藝的研究提高SiC陶瓷的熱導率,探討SiC陶瓷的導熱機理,解決換熱器設計和制造中的關鍵技術難題,促進SiC陶瓷換熱器的工業(yè)化應用。本論文分別采用反應燒結、無壓液相燒結和無壓固相燒結方法制備SiC陶瓷材料,研究了配方組成、燒結制度等對材料力學性能、電導率、熱導率及微觀結構的影響,優(yōu)化了制備高熱導率SiC陶瓷的工藝參數(shù),探討了SiC陶瓷導熱機理。在此基礎上,依據(jù)實際工況,創(chuàng)新結構設計,制備了SiC陶瓷換熱器,并成功用于冷軋板生產線水蒸氣與濃鹽酸的熱交換。主要研究結論如下：1)采用正交試驗方法研究了SiC微粉顆粒級配、碳(C)含量和成型壓力對反應結合SiC(RBSC)陶瓷性能、物相組成及微觀結構的影響。研究結果表明：C含量和成型壓力對RBSC陶瓷性能有較大影響；隨著C含量和成型壓力的增加,RBSC陶瓷試樣中游離si含量逐漸降低,密度、熱導率、彎曲強度、斷裂韌性和顯微硬度逐漸增大。但是,當C含量和成型壓力超過一定數(shù)值時,反而導致滲Si困難,試樣內出現(xiàn)殘留C,使力學性能和熱導率降低。當平均粒徑為7.0和13.0μm的SiC微粉的質量比6：4,C含量20wt.%,成型壓力90 MPa時,1650℃保溫120 min燒結制得的RBSC試樣密度最大達到3.13 g/cm3,熱導率最大為124W/(m·K),顯微硬度為27 GPa,彎曲強度為425 MPa,斷裂韌性為5.5MPa·m1/2。2)以Al2O3-Y2O3為基礎燒結助劑,并分別加入La2O3、Nd2O3、Eu2O3、Dy2O3和Yb203組成復合氧化物助劑,研究了燒結助劑組成及含量、燒結溫度和氣氛對無壓液相燒結SiC陶瓷性能的影響。研究結果表明：氬氣氣氛下制得試樣的性能比氮氣更好；氬氣氣氛下,當Al2O3-Y2O3(摩爾比5：3)添加量相同時,在1750～1900℃范圍內,隨著燒結溫度提高,試樣的相對密度、熱導率、彎曲強度、斷裂韌性和顯微硬度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當添加8wt.%的Al2O3-Y2O3為液相助劑,燒結溫度1850℃時,相對密度最大達到97.47%,熱導率最大達到72 W/(m-K),彎曲強度和斷裂韌性最大分別為576 MPa和7.6MPa·m1。在Al2O3-Y2O3中分別加入少量La2O3、Nd2O3、Eu2O3、Dy2O3和Yb2O3組成復合氧化物助劑,沒有對試樣的熱導率產生有利影響。3)研究了C源及含量、B4C含量和燒結制度對無壓固相燒結SiC(SCBC)陶瓷試樣性能、物相組成及微觀結構的影響。研究結果表明：以液體酚醛樹脂(PF)為C源的試樣性能比碳黑的更好,在2.0～12.0wt.%范圍內,隨著C含量增加,試樣彎曲強度、斷裂韌性、顯微硬度和熱導率均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；隨B4C含量增加試樣性能有相同的變化趨勢；提高燒結溫度或延長保溫時間均有利于提高試樣力學性能和熱導率,但燒結溫度過高或保溫時間過長反而導致力學性能和熱導率的降低。優(yōu)化的SCBC陶瓷配方和制備工藝為：8wt.%的PF, 1wt.%的B4C,2100℃保溫60 min,氬氣氣氛無壓固相燒結。所制備材料的相對密度99.05%,維氏顯微硬度27 GPa,彎曲強度423 MPa,斷裂韌性4.6MPa·m1/2,熱導率113W/(m·K)。4)在優(yōu)化的SCBC陶瓷配方和工藝基礎上加入石墨烯,研究了石墨烯加入量對試樣性能的影響。研究結果表明：在0-5.0wt.%范圍內,隨著石墨烯加入量的增加,試樣的相對密度逐漸降低,電導率逐漸增大,熱導率、彎曲強度、斷裂韌性和顯微硬度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當石墨烯含量為2.0wt.%時,熱導率達到最大值145W/(m·K),比不含石墨烯的試樣提高了27%。分別研究了添加AlN和TiB2對SCBC陶瓷性能的影響。研究結果表明：雖然A1N的熱導率遠高于TiB2,而且添加A1N試樣的致密度更高,但是,在燒結過程中,由于AlN與SiC反應形成低熱導率的固溶體,而TiB2與SiC不反應,使得添加A1N試樣的熱導率反而低于添加TiB2的試樣。5)探討了SiC陶瓷導熱機理,研究了SiC陶瓷熱導率的影響因素。SiC陶瓷主要依靠晶格振動的格波導熱,即聲子導熱�；趯iC陶瓷熱導率影響因素的分析,建立了“聲子勢壘”數(shù)理模型,并用該模型定性地描述了不同SiC陶瓷的導熱過程。氣孔、雜質和晶界等缺陷都可以視作聲子導熱的“勢壘”,聲子在傳輸過程中越過“勢壘”導致能量降低、數(shù)量減少,“勢壘”高度越大,對熱導率的影響也越大。RBSC陶瓷中,聲子導熱需要越過游離硅形成的“聲子勢壘”,游離硅含量越高,“勢壘”高度越大,對熱導率影響越大；液相燒結SiC陶瓷中,聲子導熱需要越過晶界液相形成的“聲子勢壘”,液相組成越復雜,含量越高,“勢壘”高度越大,對熱導率影響越大；SCBC陶瓷中,聲子導熱需要越過B4C和C雜質形成的“聲子勢壘”,并受到氣孔形成的“聲子勢壘”的影響；添加石墨烯的SCBCG陶瓷的導熱過程與SCBC陶瓷導熱過程相似,但石墨烯高的熱導率和電導率相當于“拓寬”了聲子傳輸?shù)耐ǖ?因而提高了SCBCG陶瓷的熱導率。6)通過對SiC陶瓷換熱管制備工藝的研究,制備了SiC陶瓷換熱管；通過換熱管壁厚對換熱效果影響及密封方式的研究,確定采用同心圓扇形輻射分布的排管方式,以壁厚為3.5 mm、內徑為18 mm的反應結合SiC陶瓷換熱管制備了用于加熱濃鹽酸的換熱器,分別采用“臺階孔-聚四氟乙烯橡膠套”相結合的密封結構和彈簧膨脹補償作用解決了SiC陶瓷管與陶瓷板之間、SiC陶瓷換熱器內芯與金屬外殼之間的密封難題。該換熱器成功用于冷軋板生產線,應用結果表明：相同條件下,SiC陶瓷換熱器可將鹽酸加熱溫度由61℃提高到85℃,冷流體溫度效率比原來的石墨換熱器提高了77%。本文研究了反應結合SiC陶瓷、無壓液相燒結SiC陶瓷和無壓固相燒結SiC陶瓷熱導率的影響因素,探討了SiC陶瓷材料的導熱機理,制備了節(jié)能效果顯著的SiC陶瓷換熱器,為高熱效率換熱器工業(yè)化生產提供了有價值的理論指導,對于促進我國工業(yè)節(jié)能和環(huán)境保護具有積極意義。
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【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TQ174.75

【參考文獻】

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本文編號：2317041