太阳能热发电输热管道材料的研究

【摘要】：目前,塔式太阳能热发电系统中热流的输送主要采用合金钢管道,由于合金钢管道不耐高温,且在高温条件下耐腐蚀性差,因此开发新的输热管道材料至关重要。本文基于太阳能塔式热发电的需要,研究了莫来石-堇青石复相陶瓷、Mg-Al-Si系Al2O3基复相陶瓷及Ca-Mg-Al-Si系Al2O3基复相陶瓷等3种材料,开发了用于太阳能热发电输热管道的高温强度大、抗热震性好的堇青石-莫来石复相陶瓷材料及Al2O3基复相陶瓷材料。采用现代测试技术,研究了样品组成、制备工艺、显微结构与性能的关系,探讨了抗热震机理。 以合成堇青石粉和合成莫来石粉为原料,采用无压烧结法制备了莫来石-堇青石复相陶瓷。实验表明最佳配方为：堇青石70wt%,莫来石30wt%,样品在1440℃下保温2h烧成,吸水率为0.12%、气孔率为0.30%、体积密度为2.487g/cm3,抗折强度为68.49MPa,烧成收缩率为29.93%。小条样品经20次热震实验后,强度不但没有损失,反而增加了27.2%;圆片样品30次热震无裂纹。研究表明由于堇青石的开放型晶体结构阻碍了样品致密化,样品烧结温度随着配方中堇青石含量的增加而提高。XRD分析表明,所有样品的晶相组成均为高温堇青石、低温堇青石、莫来石和α-鳞石。抗热震机理研究表明,当配方中莫来石添加量大于40%时,烧成样品中存在大量块状和针棒装莫来石晶粒,这种结构有利于样品烧成强度的提高,但会降低其抗热震性能；当莫来石添加量为20～30%时,烧成样品由层状堇青石晶相组成,少量莫来石镶嵌其中,这种结构使样品具有优异的抗热震性能。当莫来石添加量小于10%时,烧成样品中玻璃相含量大,抗热震性能差。对比样品热震前后晶相组成和显微结构发现,热震作用会促进样品中α-鳞石英的析出和长大,热震过程中,石英晶型转变造成的微裂纹可以提高样品韧性,改善样品抗热震性,这是样品热震后强度得到保持,甚至增大的主要原因。 以α-Al2O3粉、苏州土、滑石、石英为主要原料,设计了样品配方组成,采用无压烧结工艺,制备了Mg-Al-Si系Al2O3基复相陶瓷材料。结果表明,最佳配方为：α-Al2O3粉：80wt%m,苏州土：6wt%,滑石粉：9%,石英5%,样品烧成温度最低,抗热震性能最优,1480℃下保温2h烧结的样品吸水率为0.19%,气孔率为0.57%、体积密度为3.06g/cm3,烧成线收缩率为12.72%,重烧线收缩率为0.23%,抗折强度为99.59MPa。经20次热震实验后,抗折强度为92.72MPa,强度损失率仅为6.9%。XRD及SEM分析表明,当配方中苏州土含量≥10wt%时,样品主晶相为刚玉和莫来石,样品中二次莫来石生成可引起体积膨胀,致使样品烧成温度较高,同时由于部分晶粒的异常长大,妨碍了样品抗热震性的提高；当配方中苏州土含量≤5wt%时,样品主晶相为刚玉和少量莫来石、镁铝尖品石,少量原位生成的莫来石和镁铝尖晶石能有效抑制刚玉晶粒的长大,提高了样品的抗热震性。 为了进一步降低样品烧结温度,在Mg-Al-Si系配方中引入方解石,以α-Al2O3粉、苏州土、方解石、滑石粉、石英为主要原料,通过正交实验优化配方,采用无压低温烧结,制备了Ca-Mg-Al-Si系Al2O3基复相陶瓷。正交实验结果表明,配方中方解石、滑石的添加,为样品中引入了高温助熔剂CaO和MgO,可以有效降低样品烧成温度。正交实验以样品烧结温度为主要考察指标得出最佳配方为：m(苏州土)：m(烧滑石)：m(方解石)：m(石英)：m(α-Al2O3)=8：18：10：5：100,该配方样品在1340℃瓷化,吸水率为0.45%,气孔率为1.87%,体积密度为2.32g/cm3,烧成线收缩率为13.42%,重烧线收缩率为0.16%,抗折强度为110.28MPa。经20次热震试验后,抗折强度变化率趋于平稳,为139.66MPa,强度不但没有损失,反而增加了22.64%。XRD分析表明,该样品中主晶相为刚玉和镁铝尖晶石、钙长石；抗热震机理研究表明,大量晶粒紧密结合在一起,少量玻璃相填充于晶粒孔隙之间,这种大量晶相与少量玻璃相的组成结构,使样品具有较小的重烧线收缩率。通过显微分析还观察到,烧成样品中微小闭气孔分布均匀、大小均一,这种结构可以缓释样品内应力,改善样品抗热震性能；样品中各主晶相粒径均在1μm左右,且均匀分布,紧密结合,这是对提高样品抗折强度和抗热震性十分有利的结构。热震实验表明,热震作用可以促进样品内晶粒的生长及微小晶粒的生成,因此热震可以提高样品强度；热震过程中,包裹在晶粒表面玻璃相中残存的压应力和样品表面残留的压应力也可以使其热震后强度强度。 【关键词】：堇青石 莫来石 Al_2O_3陶瓷 复相陶瓷 吸水率 抗热震性 组成、结构与性能 输热管道 太阳能热发电
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TQ174.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 课题研究的目的、意义11-12
• 1.2 氧化铝复相陶瓷研究进展12-14
• 1.3 莫来石增韧堇青石陶瓷的研究进展14-16
• 1.4 本课题主要研究内容16-17
• 第2章 莫来石-堇青石复相陶瓷的研究17-37
• 2.1 实验17-19
• 2.1.1 配方组成设计17-18
• 2.1.2 样品制备工艺18-19
• 2.2 样品性能、结构表征19-23
• 2.2.1 样品Wa、Pa、D测定19-20
• 2.2.2 样品的干燥收缩、烧成收缩、总收缩的测试20-21
• 2.2.3 样品抗折强度测试21-22
• 2.2.4 样品抗热震性测试22-23
• 2.2.5 样品XRD测试23
• 2.2.6 样品显微结构测试23
• 2.3 结果分析与讨论23-35
• 2.3.1 影响样品Wa、Pa、D的因素23-25
• 2.3.2 影响样品收缩率的因素25-26
• 2.3.3 影响样品抗折强度的因素26-27
• 2.3.4 样品抗热震性能分析27-28
• 2.3.5 莫来石-堇青石复相陶瓷抗热震机理的探讨28-35
• 2.4 本章小结35-37
• 第3章 Mg-Al-Si系Al_2O_3陶瓷的研究37-54
• 3.1 实验37-39
• 3.1.1 样品配方组成设计37-38
• 3.1.2 样品制备38-39
• 3.2 样品结构与性能表征39-42
• 3.2.1. 样品气孔率(Wa)、吸水率(Pa)、体积密度(D)的测定及外观描述39-40
• 3.2.2 烧成样品的抗折强度测定40
• 3.2.3 样品烧成收缩率及重烧线收缩率的测定40-41
• 3.2.4 样品抗热震性能的检测41-42
• 3.2.5 品相组成分析42
• 3.2.6 样品显微结构分析42
• 3.3 结果分析与讨论42-52
• 3.3.1 影响样品烧成温度的因素42-44
• 3.3.2 影响样品抗折强度的因素44-45
• 3.3.3 影响样品烧成线收缩率及重烧线收缩率的因素45-47
• 3.3.4 影响样品热震性能的因素47
• 3.3.5 MgO-Al_2O_3-SiO_2系Al_2O_3陶瓷抗热震机理探讨47-52
• 3.4 本章小结52-54
• 第4章 Ca-Mg-Al-Si系Al_2O_3陶瓷的研究54-71
• 4.1 实验54-60
• 4.1.1 正交实验设计54-55
• 4.1.2 样品制备及性能表征方法55-56
• 4.1.3 正交实验结果及分析56-59
• 4.1.4 优化配方的确定及样品制备59-60
• 4.2 优化配方的性能检测及结构分析60-61
• 4.2.1 配方样品Wa、Pa、D检测及外观分析60
• 4.2.2 样品烧成线收缩率及重烧线收缩率的检测60
• 4.2.3 样品烧成强度及热震强度损失率检测60-61
• 4.2.4 热震后收缩率、吸水率等检测61
• 4.2.5 样品晶相组成分析61
• 4.2.6 样品显微结构分析61
• 4.3 结果分析与讨论61-70
• 4.3.1 影响样品烧成温度的因素61-63
• 4.3.2 影响样品烧成线收缩率及重烧线收缩率的因素63-64
• 4.3.3 热震作用对样品强度及Wa、Pa、D的影响64-65
• 4.3.4 Ca-Mg-Al-Si系Al_2O_3陶瓷抗热震机理研究65-70
• 4.4 本章小结70-71
• 第5章 全文结论及展望71-74
• 5.1 全文结论71-73
• 5.2 创新点73-74
• 致谢74-75
• 参考文献75-79
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研项目79

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