用于太陽能熱發(fā)電輸熱管道的紅柱石基陶瓷的研究

【摘要】：能源的相對(duì)短缺、能源在開發(fā)與利用過程中的低效率及所造成的環(huán)境污染正成為我國經(jīng)濟(jì)與社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要制約因素。目前就全國而言,急需發(fā)展低成本的、使用方便的可再生能源利用技術(shù),以適應(yīng)不同地區(qū)的需要。太陽能是一種取之不盡,用之不竭的新型可再生能源,而太陽能熱發(fā)電是太陽能熱利用的重要方向,也是最有可能引發(fā)能源革命的技術(shù)成果之一。目前,塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中熱流的輸送主要采用低合金耐熱鋼管,但合金材料在實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用過程中存在抗熱沖擊性差,使用壽命不長和制造成本偏高等一些問題,阻礙了太陽能熱發(fā)電高效規(guī)模化發(fā)展。因此,研制一種耐高溫的、抗熱震性好的輸熱管道材料已成為重要的科學(xué)研究課題。本文針對(duì)這一課題,研制了紅柱石基復(fù)相陶瓷輸熱管道材料及相應(yīng)的連接劑。研究了不同的配方組成和燒結(jié)溫度對(duì)紅柱石基復(fù)相陶瓷材料的結(jié)構(gòu)、性能的影響,探討了提高紅柱石陶瓷抗熱震性,降低紅柱石基陶瓷燒結(jié)溫度和拓寬燒結(jié)范圍的機(jī)理。結(jié)果表明,紅柱石基復(fù)相陶瓷材料有望作為太陽能熱發(fā)電用輸熱管道材料。 以紅柱石、微米級(jí)PSZ(5.2wt%Y203部分穩(wěn)定的氧化鋯)和蘇州土為主要原料,采用燒結(jié)法制備了紅柱石復(fù)相太陽能熱發(fā)電陶瓷輸熱管。研究了配方組成和燒結(jié)溫度對(duì)材料燒結(jié)性能和力學(xué)性能的影響。利用XRD、SEM以及萬能試驗(yàn)機(jī)表征樣品的物相組成、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。結(jié)果表明：經(jīng)1490℃燒結(jié)A4(紅柱石50wt%、微米級(jí)PSZ10wt%、蘇州土25wt%、山鋁鉀長石10wt%、林州鈉長石5wt%)樣品性能優(yōu)良,樣品吸水率為0.41%,氣孔率為1.10%,體積密度為2.69g/cm3,抗折強(qiáng)度達(dá)128.78MPa；經(jīng)30次抗熱震(在空氣中氣冷,室溫-1100℃)測試后,樣品無裂紋、不開裂,樣品的抗折強(qiáng)度為142.55MPa,強(qiáng)度不僅沒有損失,反而增加了。相組成分析表明,A4配方樣品的晶相為莫來石、硅酸鋯、單斜氧化鋯和α-方石英。SEM研究結(jié)果表明,A4配方樣品結(jié)構(gòu)較致密,存在少量氣孔,柱狀莫來石晶體縱橫交錯(cuò)排列,成柱狀“互鎖”,顆粒狀的硅酸鋯和氧化鋯填充在柱狀莫來石的晶粒間,阻止了微裂紋的擴(kuò)展,提高了材料的強(qiáng)度。 為了降低紅柱石陶瓷的燒結(jié)溫度,實(shí)驗(yàn)以紅柱石、微米級(jí)PSZ、蘇州土、滑石為主要原料,并添加白云石和鋰輝石,制備了紅柱石基復(fù)相陶瓷。研究了白云石和鋰輝石的添加量對(duì)紅柱石基復(fù)相陶瓷燒結(jié)性能和力學(xué)性能的影響。利用XRD、SEM以及萬能試驗(yàn)機(jī)表征樣品的物相組成、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。結(jié)果表明：經(jīng)1400℃燒結(jié)的B5(紅柱石50wt%、微米級(jí)PSZ10wt%、蘇州土23wt%、滑石10wt%、鋰輝石7wt%)樣品性能優(yōu)良,與A系列相比降低燒結(jié)溫度90℃,樣品吸水率為0.28%,氣孔率為0.74%,體積密度為2.61g/cm3,抗折強(qiáng)度達(dá)96.08MPa,熱震(室溫-1100℃,氣冷)30次無裂紋、不開裂,熱震后抗折強(qiáng)度為117.61MPa,強(qiáng)度不僅沒有損失,反而增加了。隨著鋰輝石添加量的增大,樣品的體積密度增大。相組成分析表明,B5配方樣品的主晶相為莫來石、硅酸鋯和單斜氧化鋯。顯微結(jié)構(gòu)研究結(jié)果表明,B5配方樣品結(jié)構(gòu)較致密,存在少量的氣孔,其中以閉氣孔居多。在高倍數(shù)圖片中可觀察到柱狀的莫來石晶體相互交織在一起形成骨架,氧化鋯以晶內(nèi)型和晶間型均布在莫來石的基質(zhì)中,提高了樣品強(qiáng)度和韌性。降低燒結(jié)溫度的機(jī)理是添加鋰輝石使系統(tǒng)生成低熔點(diǎn)液相,在燒結(jié)前期產(chǎn)生液相,對(duì)粉料起到潤濕、溶解作用,使晶粒表面得到活化,自由能升高,燒結(jié)機(jī)理從固相燒結(jié)變?yōu)橐合酂Y(jié),增強(qiáng)了表面擴(kuò)散,加速了晶粒生長過程,使材料燒結(jié)溫度降低。同時(shí),玻璃軟化產(chǎn)生的表面張力使晶粒更加靠攏,促進(jìn)紅柱石基陶瓷可以在較低的溫度下實(shí)現(xiàn)燒結(jié)。 為了拓寬紅柱石陶瓷的燒結(jié)溫度范圍,實(shí)驗(yàn)以紅柱石、微米級(jí)PSZ、蘇州土、滑石和鋰輝石為主要原料,外加硼酸,制備了紅柱石基復(fù)相陶瓷。研究了硼酸的添加量對(duì)紅柱石基復(fù)相陶瓷燒結(jié)性能和力學(xué)性能的影響。利用XRD、SEM以及萬能試驗(yàn)機(jī)表征樣品的物相組成、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。結(jié)果表明：經(jīng)1420℃燒結(jié)的C1(紅柱石50wt%、微米級(jí)PSZ10wt%、蘇州土23wt%、滑石10wt%、鋰輝石7wt%、外加硼酸1wt%)樣品性能最佳,與A系列相比拓寬燒結(jié)溫度范圍40℃,樣品的吸水率、氣孔率和體積密度分別為0.30%、0.71%和2.40g/cm3,抗折強(qiáng)度為85.73MPa,熱震(室溫-1100℃,氣冷)30次無裂紋、不開裂,熱震后抗折強(qiáng)度為73.08MPa,強(qiáng)度損失率為14.76%。相組成分析表明,Cl配方樣品的主晶相為莫來石、硅酸鋯、立方氧化鋯和α-方石英。顯微結(jié)構(gòu)研究結(jié)果表明,C1配方樣品樣品中分布了較多氣孔,其中以閉氣孔居多。在放大10000倍圖片中可看出,在材料內(nèi)部有許多長柱狀莫來石晶體,這些長柱狀晶體縱橫交錯(cuò),無序排布在材料的內(nèi)部,任意一個(gè)長柱狀晶體都與周圍長柱狀晶體相連結(jié),彼此相互制約和增強(qiáng)。在材料內(nèi)部還可以看到存在大量氧化鋯顆粒,它們釘扎裂紋,阻止裂紋的擴(kuò)展,起到了緩沖熱應(yīng)力的作用。拓寬燒結(jié)溫度范圍的機(jī)理是添加的B203在熔體中可以形成具有三維空間連接作用的硼氧四面體[B04],減少熔體中非橋氧離子的數(shù)目,起著“補(bǔ)網(wǎng)”作用。硼的加入使熔體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)緊密聚集,粘度提高,這時(shí)的熔體結(jié)構(gòu)中除了原有的硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)和鋁氧四面體網(wǎng)絡(luò)外,還形成了硼氧四面體網(wǎng)絡(luò),硼硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)、硼鋁氧四面體網(wǎng)絡(luò)及其它的含硼四面體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。B203的加入使熔體有較高的高溫粘度,改善了瓷坯的抵抗高溫變形的能力,而且當(dāng)溫高上升時(shí),粘度的降低也是較為平緩的。因此,紅柱石基陶瓷燒結(jié)溫度范圍得以拓寬。 以管道坯粉最優(yōu)配方C1為基礎(chǔ)點(diǎn),加入低溫熔劑A制備了紅柱石基陶瓷管道間連接用的連接劑,重點(diǎn)探討了低溫熔劑A的添加量、相組成和微觀結(jié)構(gòu)對(duì)連接劑性能的影響,利用XRD、SEM以及萬能試驗(yàn)機(jī)表征連接劑的物相組成、微觀結(jié)構(gòu)和連接強(qiáng)度,并討論了連接機(jī)理。結(jié)果表明：經(jīng)1100℃燒成的E2配方連接劑(管道坯粉80wt%,低溫熔劑A20wt%)的性能最佳,連接件的連接強(qiáng)度最大,為20.08MPa。熱震(室溫-1100℃,氣冷)14次無裂紋,不開裂。相組成分析表明,E2配方連接劑的晶相為硅酸鋯、硼酸鋁、紅柱石、單斜氧化鋯。連接劑中的紅柱石未發(fā)生莫來石化,硼酸脫水產(chǎn)生的B203與A1203發(fā)生反應(yīng),生成硼酸鋁。SEM研究結(jié)果表明,從低倍數(shù)圖片可以看出,連接劑較為密實(shí),存在氣孔,連接劑層存在微裂紋,連接劑/母材界面也存在較多縫隙。從高倍數(shù)圖片可以看出,連接劑/母材基質(zhì)的界面處存在大量液相,液相在毛細(xì)作用下,很容易的擴(kuò)散到母材基體內(nèi)部,并與母材基質(zhì)粘合緊密。連接劑/母材界面粘合處的液相中,存在一些微裂紋。這是因?yàn)橐合嘣诶鋮s過程中產(chǎn)生收縮,液相與連接劑和母材的熱膨脹系數(shù)不匹配,從而產(chǎn)生界面應(yīng)力。當(dāng)液相冷卻為玻璃相時(shí),界面應(yīng)力導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生。連接機(jī)理是低溫熔劑A形成液相,潤濕母材表面,并擴(kuò)散入母材內(nèi)部。連接件冷卻后,液相形成玻璃相,與母材產(chǎn)生界面結(jié)合,形成液相擴(kuò)散連接。 抗熱震機(jī)理研究表明：紅柱石復(fù)相陶瓷材料固有強(qiáng)度較高,產(chǎn)生熱震斷裂所需熱應(yīng)力也較大,抗熱震性好；通過引入微米級(jí)PSZ,利用顆粒釘扎裂紋,氧化鋯相變?cè)鲰g材料,從而提高材料的抗熱震性。在材料內(nèi)部有許多長柱狀莫來石晶體,這些莫來石晶體縱橫交錯(cuò),無序排布在材料的內(nèi)部,任意一個(gè)長柱狀晶體都與周圍長柱狀晶體相連結(jié),彼此相互制約和增強(qiáng),改善了材料的抗熱震損傷性能。另外,通過引入鋰輝石降低材料的熱膨脹系數(shù),也大大改善了材料的抗熱震性。 【關(guān)鍵詞】：紅柱石 復(fù)相陶瓷 微米級(jí)PSZ 鋰輝石 白云石 硼酸 太陽能熱發(fā)電 輸熱管道 抗熱震性 性能與微觀結(jié)構(gòu)
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：TQ174.6
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-13
• 第1章 緒論13-23
• 1.1 課題研究的目的及意義13-14
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀14-22
• 1.2.1 高溫?zé)峁艿难芯楷F(xiàn)狀14-15
• 1.2.2 紅柱石的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀15-20
• 1.2.3 陶瓷連接的發(fā)展概述20-22
• 1.3 本研究的主要內(nèi)容22-23
• 第2章 紅柱石基陶瓷的制備及其結(jié)構(gòu)與性能23-57
• 2.1 實(shí)驗(yàn)23-29
• 2.1.1 樣品的制備23-25
• 2.1.2 樣品的結(jié)構(gòu)與性能的表征25-29
• 2.2 結(jié)果分析與討論29-55
• 2.2.1 影響樣品收縮性能的因素29-32
• 2.2.2 影響樣品吸水率、氣孔率、體積密度的因素32-35
• 2.2.3 影響樣品抗折強(qiáng)度的因素35-36
• 2.2.4 影響樣品熱膨脹性能的因素36-37
• 2.2.5 影響樣品重?zé)€收縮性能的因素37-38
• 2.2.6 樣品的相組成分析38-41
• 2.2.7 樣品的顯微結(jié)構(gòu)分析41-47
• 2.2.8 樣品的EPMA分析47-48
• 2.2.9 樣品抗熱震性能機(jī)理探討48-55
• 2.3 本章小結(jié)55-57
• 第3章 降低紅柱石陶瓷燒結(jié)溫度的研究57-87
• 3.1 實(shí)驗(yàn)57-60
• 3.1.1 樣品的制備57-59
• 3.1.2 樣品的結(jié)構(gòu)與性能的表征59-60
• 3.2 結(jié)果分析與討論60-85
• 3.2.1 影響樣品收縮性能的因素60-62
• 3.2.2 影響樣品吸水率、氣孔率、體積密度的因素62-65
• 3.2.3 影響樣品抗折強(qiáng)度的因素65-67
• 3.2.4 影響樣品重?zé)€收縮性能的因素67-68
• 3.2.5 影響樣品熱膨脹性能的因素68-69
• 3.2.6 降低紅柱石基陶瓷燒結(jié)溫度機(jī)理探討69-79
• 3.2.7 影響樣品的抗熱震性的因素79-85
• 3.3 本章小結(jié)85-87
• 第4章 拓寬紅柱石陶瓷燒結(jié)溫度范圍的探討87-106
• 4.1 實(shí)驗(yàn)87-89
• 4.1.1 樣品的制備87-88
• 4.1.2 樣品的結(jié)構(gòu)與性能的表征88-89
• 4.2 結(jié)果分析與討論89-104
• 4.2.1 影響樣品收縮性能的因素89-90
• 4.2.2 影響樣品吸水率、氣孔率、體積密度的因素90-92
• 4.2.3 影響樣品抗折強(qiáng)度的因素92-93
• 4.2.4 影響樣品重?zé)€收縮性能的因素93-94
• 4.2.5 影響樣品抗熱震性能的因素94-100
• 4.2.6 拓寬燒結(jié)溫度范圍的機(jī)理研究100-104
• 4.3 本章小結(jié)104-106
• 第5章 管道連接劑的研制106-115
• 5.1 實(shí)驗(yàn)106-108
• 5.1.1 連接劑的制備106-108
• 5.1.2 樣品的結(jié)構(gòu)與性能的表征108
• 5.2 結(jié)果分析與討論108-113
• 5.2.1 影響連接強(qiáng)度的因素108-109
• 5.2.2 連接劑的XRD分析109-110
• 5.2.3 連接件顯微結(jié)構(gòu)分析110-111
• 5.2.4 影響連接件抗熱震性的因素111-113
• 5.2.5 連接機(jī)理113
• 5.3 本章小結(jié)113-115
• 第6章 全文結(jié)論及展望115-118
• 6.1 全文結(jié)論115-117
• 6.2 本文創(chuàng)新點(diǎn)117
• 6.3 需要進(jìn)一步開展的工作117-118
• 參考文獻(xiàn)118-123
• 致謝123-124
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及參與的科研項(xiàng)目124

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煤代重油在鋰輝石—石灰石燒結(jié)法制取鋰鹽工藝中的應(yīng)用    張長信

用于太陽能熱發(fā)電輸熱管道的紅柱石基復(fù)相陶瓷的研究    吳建鋒;冷光輝;徐曉虹;劉升升;

太陽能熱發(fā)電用氧化鋁基復(fù)相陶瓷抗熱震性及EPMA分析    吳建鋒;焦國豪;徐曉虹;方斌正;冷光輝;趙芳;

太陽能熱發(fā)電用莫來石-堇青石復(fù)相陶瓷低溫制備與性能研究    徐曉虹;馬雄華;吳建鋒;張鋒意;徐瑜;陳旭秋;

紅柱石基剛玉-莫來石復(fù)相陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)及性能    郭興忠;李文彥;楊輝;徐生富;

鋰輝石陶瓷的制備與抗熱震性能    李婷婷;張四通;季家友;黃志良;鮑世聰;陳常連;

以復(fù)相陶瓷為基體的表面膜制備技術(shù)    溫兆銀;林祖鑲;江東亮;顧中華;

SHS納米/微米Al_2O_3-ZrO_2復(fù)相陶瓷力學(xué)行為    趙忠民;王建江;張龍;閆軍;

鋯溶膠制備及其對(duì)剛玉莫來石復(fù)相陶瓷性能的影響    郭興忠;程本軍;楊輝;

硅溶膠對(duì)剛玉莫來石復(fù)相陶瓷的性能影響    程本軍;楊輝;郭興忠;

重力分離SHS復(fù)合管內(nèi)襯(Al_2O_3+ZrO_2)復(fù)相陶瓷的力學(xué)性能與韌化效應(yīng)    于貴波;趙忠民;王建江;張龍;

全球太陽能熱發(fā)電迎來復(fù)蘇期    趙瑞

“太陽能熱發(fā)電研究及產(chǎn)業(yè)基地”在山東濰坊奠基    

太陽能熱發(fā)電核心技術(shù)實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化    記者 齊慧　實(shí)習(xí)生 柴潔

槽式太陽能熱發(fā)電核心技術(shù)獲突破    陳國春

國內(nèi)最大太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目落戶內(nèi)蒙古    記者 王薇薇

太陽能熱發(fā)電將掀新一波投資潮    本報(bào)記者 鐘銀燕

國內(nèi)最大太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目即將招標(biāo)    于達(dá)維

海南可成太陽能熱發(fā)電技術(shù)研究基地    記者 郭景水　卓上雄 實(shí)習(xí)生 石挺戀

太陽能熱發(fā)電火熱啟動(dòng)    盧曦

太陽能熱發(fā)電：“起步”抑或“起跳”？    本報(bào)記者 程暉

鈦酸鋁/氧化鋁復(fù)相陶瓷及其梯度材料的制備與性能評(píng)價(jià)    李明忠

燃料化學(xué)能與物理能綜合梯級(jí)利用的熱力循環(huán)    洪慧

鈦酸鋁復(fù)相陶瓷的制備及其抗熱震性能的研究    曹愛紅

復(fù)相陶瓷的結(jié)構(gòu)與性能    劉小強(qiáng)

TiB_2-BN復(fù)相陶瓷的制備及性能研究    王玉成

氧化鋯—氧化鋁復(fù)相陶瓷的結(jié)構(gòu)、性能與磨損機(jī)理的研究    余明清

太陽能輔助燃煤發(fā)電系統(tǒng)耦合機(jī)理與熱力特性研究    崔映紅

材料斷裂過程的宏微觀研究    譚鴻來

高能球磨法制備含硼、碳、氮陶瓷的研究    呂春菊

莫來石連續(xù)纖維制備工藝的研究    姚樹玉

用于太陽能熱發(fā)電輸熱管道的紅柱石基陶瓷的研究    徐瑜

高吸收低反射太陽能陶瓷材料的研究    騫少陽

太陽能高效吸熱陶瓷材料的研究    劉孟

太陽能熱發(fā)電輸熱管道材料的研究    張鋒意

太陽能潛—顯熱儲(chǔ)熱復(fù)相陶瓷的研究    方斌正

太陽能熱發(fā)電儲(chǔ)熱陶瓷鍋爐材料的研究    鄒世軒

河南盧氏蔡家溝鋰輝石礦物學(xué)特征及提鋰工藝實(shí)驗(yàn)研究    劉姣

塔式太陽能熱發(fā)電蒸汽系統(tǒng)建模與控制    李雅哲

高硅石英陶瓷和鋰輝石陶瓷的制備及性能研究    馬振強(qiáng)

槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)性能分析    田素樂