太陽能相變儲能合金容器材料的選擇及性能研究

【摘要】：金屬相變儲能材料具有儲能密度大、熱穩(wěn)定性好、導熱系數(shù)高、相變時過冷度小和相偏析少等優(yōu)點,在中高溫儲能技術(shù)應用方面起著重要的作用。Al-Si二元共晶合金作為相變儲能材料已在中高溫儲熱方面獲得廣泛的開發(fā)和利用。在太陽能熱發(fā)電領域,鋁硅合金是一種較為理想的中高溫相變儲能材料。但在使用過程中,熔融的鋁硅金屬液會對金屬容器以沖刷、形成金屬間化學物等形式的腐蝕,使金屬容器變薄強度下降而最終失效,嚴重阻礙了相變儲能的應用。因此,尋求一種經(jīng)濟實惠且安全耐用的容器材料及涂料方案,是為儲能發(fā)電的穩(wěn)定性和安全性提供保證,更為金屬相變儲能的應用打下堅實的基礎。 本文選用含硅量12.07%(質(zhì)量分數(shù))的鋁硅合金作為相變儲能材料。在495～620℃反復循環(huán)條件下,研究灰鐵材料、涂敷涂層的灰鐵材料、陶瓷材料耐熔融鋁硅的腐蝕性能,具體內(nèi)容如下： 研究了灰鐵材料在495-620℃高溫反復循環(huán)條件下耐熔融鋁硅合金液腐蝕的性能,研究結(jié)果表明：灰鐵腐蝕合金層中含有Fe2A15和FeAl3；在組織轉(zhuǎn)變應力和熱應力的作用下,Fe2Al5相脆性斷裂并溶解,從而導致灰鐵的逐漸浸蝕；腐蝕試驗進行到600小時以后,灰鐵的腐蝕層厚度斜率、單位面積失重斜率漸漸變小,近拋物線；通過能譜分析測試,灰鐵試樣表面發(fā)生鋁、硅原子的滲入,隨著與鋁液的距離增大,Al含量逐漸降低,在基體內(nèi)部幾乎檢測不出A1元素。 為了減緩熔融鋁硅對灰鐵基體的腐蝕,自配了4種涂料,通過各種儀器檢測涂層性能,檢測結(jié)果顯示：1)經(jīng)過熱震循環(huán)實驗后,4種涂層方案未出現(xiàn)脫落與起泡的現(xiàn)象,抗熱震性良好；2)根據(jù)GB/T-9286測得,T3涂層方案附著力達到0級,T1、T2、T4涂層方案附著力達到1級,均達到較好的結(jié)合強度；3)通過HotDisk熱常數(shù)分析儀測得,涂敷涂層后的試樣與基體試樣熱導率相差不大,不影響鋁硅儲能合金與灰鐵基體間的傳熱性能。 將涂敷涂層的灰鐵試樣進行熱循環(huán)實驗并測試涂層對鋁硅合金熱穩(wěn)定性的影響,實驗結(jié)果表明：1)在灰鐵材料表面涂敷涂料涂層之后,腐蝕層厚度明顯減薄,腐蝕速率均有下降,其中,T1涂層方案腐蝕層厚度比無涂層時降低了68.55%,T2方案降低了74.12%,T3方案降低了77.05%,T4方案降低了77.23%,T3、T4方案耐腐蝕性最好。2)T1-T4涂層試樣的鋁硅合金熔化開始溫度分別提高了0.67%、0.66%、0.64%、0.61%,熔化潛熱降低了9.38%、9.27%、9.14%、9.09%,涂料成分對儲熱性能的影響是非常有限的。因此,基于灰鐵材料成本較低且所研制的涂層易于調(diào)配,涂敷T3或T4涂層的灰材料作為盛裝太陽能相變儲能材料的容器具有一定的可行性。 另外,研究了陶瓷材料重結(jié)晶碳化硅、氮化硅結(jié)合碳化硅在495～620℃高溫反復循環(huán)條件下耐熔融鋁硅合金液腐蝕的性能,研究結(jié)果表明：R-SiC腐蝕層厚度比灰鐵降低了91.96%, Si3N4-SiC腐蝕層厚度比灰鐵降低了92.10%；陶瓷材料表面不與熔融鋁液潤濕,且不與鋁液發(fā)生反應,與熔融鋁液接觸的面積與時間相對其他材料要少,因而耐鋁腐蝕效果比涂敷T3、T4涂層的灰鐵試樣更好。相對R-SiC而言,陶瓷材料Si3N4-SiC作為太陽能相變儲能合金容器材料具有一定的成本優(yōu)勢。 因此,選用Si3N4-SiC,涂敷T3、T4涂層的灰鐵作為容器材料,不僅可以有效地抵抗熔融鋁硅的腐蝕,并提高設備的使用壽命,更能進一步推廣金屬相變儲能的應用。 【關鍵詞】：碳化硅 氮化硅 鋁硅合金相變儲能材料 腐蝕與防護
【學位授予單位】：廣東工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2011
【分類號】：TB34
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-8
• 目錄8-11
• CONTENTS11-14
• 第一章 緒論14-25
• 1.1 引言14-19
• 1.1.1 太陽能熱發(fā)電的發(fā)展及現(xiàn)狀14-18
• 1.1.2 儲能材料的研究與應用18-19
• 1.2 鋁硅相變儲能材料的腐蝕與防護19-24
• 1.2.1 金屬材料耐鋁腐蝕的研究與現(xiàn)狀20-22
• 1.2.2 陶瓷材料耐鋁腐蝕的研究與現(xiàn)狀22-24
• 1.3 課題來源與主要研究內(nèi)容24-25
• 第二章 試驗過程25-40
• 2.1 主要原材料及試驗設備25-26
• 2.1.1 主要原材料25
• 2.1.2 主要儀器設備25-26
• 2.2 實驗材料與試樣準備26-30
• 2.2.1 工作介質(zhì)的選擇26-27
• 2.2.2 基體材料的選擇27-30
• 2.3 涂料涂層的制備30-34
• 2.3.1 涂料的設計原則30-31
• 2.3.2 涂料的設計方案31-32
• 2.3.3 涂料試樣的制備流程32-34
• 2.4 鋁硅合金熔化/凝固熱循環(huán)試驗34-38
• 2.4.1 熱循環(huán)試驗裝置的設計34-36
• 2.4.2 實驗方案及工藝流程36
• 2.4.3 實驗數(shù)據(jù)處理36-38
• 2.5 分析測試38-39
• 2.5.1 金相顯微組織分析38
• 2.5.2 表面形貌分析38-39
• 2.5.3 能譜分析39
• 2.5.4 XRD分析39
• 2.5.5 DSC分析39
• 2.5.6 熱導率分析39
• 2.6 本章小結(jié)39-40
• 第三章 灰鐵材料耐鋁硅腐蝕性能40-53
• 3.1 灰鐵耐鋁硅腐蝕實驗40-49
• 3.1.1 灰鐵耐鋁腐蝕后宏觀形貌40-42
• 3.1.2 灰鐵耐鋁腐蝕速率42-44
• 3.1.3 灰鐵表面腐蝕層物相分析44-45
• 3.1.4 灰鐵截面形貌及成分分析45-49
• 3.2 灰鐵基體耐鋁腐蝕機理49-52
• 3.2.1 腐蝕方式49-50
• 3.2.2 腐蝕層形成過程及規(guī)律50-52
• 3.3 本章小結(jié)52-53
• 第四章 灰鐵涂敷涂料后的耐鋁硅腐蝕性能53-69
• 4.1 涂料性能表征53-57
• 4.1.1 抗熱震性53-54
• 4.1.2 結(jié)合強度54-56
• 4.1.3 涂層導熱系數(shù)的測定56-57
• 4.2 灰鐵涂敷不同涂料后耐鋁硅腐蝕實驗57-63
• 4.2.1 灰鐵涂料試樣腐蝕后宏觀形貌57
• 4.2.2 四種涂敷涂料試樣腐蝕速率57-60
• 4.2.3 各涂層方案腐蝕后腐蝕層物相分析60-61
• 4.2.4 各涂層方案腐蝕截面形貌分析61-62
• 4.2.5 各涂層方案腐蝕截面能譜分析62-63
• 4.3 涂層耐鋁腐蝕機理63-65
• 4.4 涂層對鋁硅合金性能的影響65-68
• 4.4.1 金相分析其組織結(jié)構(gòu)65-66
• 4.4.2 DSC差熱分析66-68
• 4.5 本章小結(jié)68-69
• 第五章 重結(jié)晶碳化硅、氮化硅結(jié)合碳化硅耐鋁硅腐蝕性能69-82
• 5.1 重結(jié)晶碳化硅、氮化硅結(jié)合碳化硅耐鋁硅腐蝕實驗70-80
• 5.1.1 陶瓷試樣腐蝕后宏觀形貌70-71
• 5.1.2 陶瓷試樣腐蝕速率71-74
• 5.1.3 陶瓷試樣表面物相分析74-75
• 5.1.4 陶瓷試樣表面形貌及成分分析75-80
• 5.2 重結(jié)晶碳化硅、氮化硅結(jié)合碳化硅耐鋁硅腐蝕機制80-81
• 5.3 本章小結(jié)81-82
• 結(jié)論與展望82-84
• 參考文獻84-88
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文88-90
• 致謝90

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