【摘要】：在塔式太陽能熱發(fā)電用空氣吸熱器中,吸熱體材料是吸熱器核心部件。由于塔式吸熱器聚光能流密度不均勻性和不穩(wěn)定性形成的吸熱體局部熱斑造成材料熱應力破壞、空氣流動穩(wěn)定性差以及耐久性不高等問題,因而需迫切的開發(fā)具有抗高溫氧化性好、抗熱震性好、具有三維或者二維的連通結構、高比表面以及高熱導率的新型吸熱體材料。基于太陽能熱發(fā)電吸熱器的特點及對吸熱體材料的要求,本文設計了用于塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的吸熱體材料配方組成。實驗中以Si3N4和SiC為基材,以紅柱石、α-Al2O3、Y2O3以及Cr203等為添加劑,合成耐高溫結合相,制備了可用于塔式太陽能熱發(fā)電吸熱體陶瓷材料。采用現(xiàn)代測試技術研究了用于塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的陶瓷吸熱體材料料的組成、制備工藝對微觀結構與性能的影響規(guī)律,探討了提高陶瓷吸熱體材料料抗氧化性及抗熱震性的機理、途徑。研制了適合塔式太陽能熱發(fā)電用吸熱體泡沫陶瓷。設計了高效容積式吸熱器結構,以空氣作為傳熱介質,利用本文所制備泡沫陶瓷為吸熱體,采用Ansys Workbench對吸熱體及吸熱器溫度場、壓強場以及速度矢量場進行了模擬分析。本文的主要研究成果如下： (1)本文首先研究了以Si3N4和SiC為主要原料,紅柱石和α-Al2O3為添加劑,采用無壓燒成工藝,制備了莫來石結合Si3N4-SiC陶瓷。實驗設計了A系列配方組成,測試和分析了燒成樣品抗熱震性、抗氧化性、相組成以及微觀結構等性能。結果顯示,在空氣中進行燒成時,Si3N4和SiC復相陶瓷含有大量的石英玻璃相,導致燒成樣品抗熱震性能不佳。 (2)研究了提高復相陶瓷材料抗熱震性能途徑。實驗在A系列實驗基礎上,通過外加煅燒鋁礬土提供鋁源,使得高溫反應過程中,更多游離Si02能夠與Al203反應生成莫來石,從而降低樣品中玻璃相量,提高樣品抗熱震性能。實驗設計了B系列配方組成,分別研究了空氣中無壓燒成和埋粉燒成(用青島石墨微粉將樣品覆蓋)兩種燒成方式對燒成樣品性能的影響規(guī)律。對埋燒樣品研究表明,最佳樣品為煅燒鋁礬土添加量為15%的B3,其最佳燒成溫度為1480℃,抗折強度為53.20MPa,1100℃至室溫30次熱震后樣品抗折強度為87.86MPa,強度增加率為65.15%。相組成分析表明,樣品熱震前晶相為碳化硅、氮化硅以及莫來石,樣品熱震后晶相為碳化硅、氮化硅、方石英以及莫來石。熱震后產生少量石英相,填充于氣孔中,覆蓋于Si3N4和SiC晶粒表面,阻止它們的進步氧化,從而提高了樣品抗熱震性。采用埋粉燒成方法,可以減少燒成樣品中石英玻璃相的含量,可顯著提高樣品抗熱震性。 (3)研究了提高吸熱體復相陶瓷材料致密度的方法。在B3配方基礎上,通過添加各種添加劑,設計了F系列配方組成。研究結果顯示,在B3配方中添加Y2O3,并采用埋燒工藝,可以極大提高燒成樣品致密度,其致密度從2.06g.cm-3提升至2.57g.cm-3。最佳樣品為外加9%Y2O3的F3,其最佳燒成溫度為1500℃,抗折強度為100.02MPa。相組成分析表明,樣品晶相為碳化硅、氮化硅、O’-塞隆及莫來石。樣品斷面SEM圖顯示樣品結構緊密,樣品晶界結合相以O’-塞隆為主,這種結合方式有助于燒成樣品致密度的提高。 (4)研究了提高吸熱體陶瓷抗氧化性能方法。在F1和F3配方基礎上,設計了G系列配方組成,研制結果表明,Cr2O3和Y2O3復合添加有利于提高復相陶瓷材料抗氧化性能。實驗最佳配方為G1,其最佳燒成溫度為1500℃,抗折強度為157.04MPa。在1300℃氧化100h后其氧化速率常數(shù)為1.7389mg2·cm-4·h-1,抗氧化性能優(yōu)于改性前A、B、及F系列樣品。樣品的相組成以碳化硅、氮化硅、莫來石以及O’-塞隆為主。復合添加Cr2O3和Y2O3可以在樣品表面形成一層保護膜,使得O在樣品表面的擴散速率降低,從而提高燒成樣品抗氧化性能。 (5)研究了提高復相陶瓷材料抗熱震性能的途徑。實驗中,通過在樣品中引入ZrO2,利用ZrO2隨溫度變化時產生的微裂紋來增韌復相陶瓷材料,達到提高復合材料抗熱震性能的目的。設計了H系列配方組成。研制結果表明,在G1配方基礎上外加8%ZrO2及7.26%Y2O3時的H3配方,樣品抗熱震性能顯著提高。經1480℃燒成的H3樣品,抗折強度為100.26MPa,1100℃至室溫經30次熱震后,樣品抗折強度不減反增,增加率為10.34%。樣品的相組成均為碳化硅、氮化硅、莫來石以及O’-塞隆,同時還存在少量石英相。顯微結構及EPMA結果表明添加ZrO2、Cr2O3以及Y2O3對樣品形核作用明顯,三種氧化物復合添加有利于形成花簇狀和網絡狀結構固溶體,這種結構有助于樣品抗熱震性能的改善和提高。 (6)制備和研究了適合塔式太陽能熱發(fā)電用吸熱體泡沫陶瓷。實驗分別以最佳配方G1、H3以及流變劑為原料制備料漿,以聚氨酯泡沫為前驅體,采用有機泡沫浸漬工藝,制備了泡沫陶瓷吸熱體材料。研究結果顯示,利用G1配方漿料所制備泡沫陶瓷性能較優(yōu)。最佳燒成溫度為1500℃,氣孔率為93.7%,抗壓強度為0.27MPa,30次熱震后抗壓強度為0.30MPa。燒成后泡沫陶瓷主晶相為碳化硅、氮化硅、莫來石以及O’-塞隆相。G1泡沫陶瓷宏觀結構及顯微結構研究表明,泡沫陶瓷氣孔均勻,孔徑在1～3mm之間,孔肋骨架較粗壯,樣品骨架較致密,有利于泡沫陶瓷強度提高。可望用作塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的陶瓷吸熱體材料,解決目前吸熱體材料抗高溫氧化差以及抗熱震性能差的不足。 (7)設計了高效容積式吸熱器結構,以空氣作為傳熱介質,利用本文制備泡沫陶瓷為吸熱體,采用Ansys Workbench對吸熱體及吸熱器溫度場、壓強場以及速度矢量場進行了模擬分析。設計吸熱器開口角度為500,吸熱器進口直徑為180cm,吸熱器出口直徑為50cmm,吸熱體總長為110cm。對不同孔隙率Si3N4-SiC復合材料吸熱體溫度場模擬結果顯示,孔隙率越大,吸熱體出口處空氣溫度越高。對不同孔隙率吸熱體對吸熱器壓強分布分析顯示,孔隙率越高,吸熱器進出口壓降越小,越有利于吸熱器的強化換熱,有利于吸熱器換熱效率的提高。同時,對孔隙率為0.95時,進口空氣速度與吸熱器壓強分布的模擬結果顯示,當進口空氣速度在5-8m/s時,有利于吸熱器的穩(wěn)定工作。
【學位授予單位】：武漢理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TQ174.7;TK513

【參考文獻】

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本文編號：2751251