用于太陽能儲熱的粘土結(jié)合SiC復(fù)相陶瓷結(jié)構(gòu)分析

徐曉虹 李劍 吳建鋒 方斌正 劉孟

(武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,武漢：430070)

用于太陽能儲熱的粘土結(jié)合SiC復(fù)相陶瓷結(jié)構(gòu)分析

徐曉虹 李劍 吳建鋒 方斌正 劉孟

(武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,武漢：430070)

采用SiC粉、高嶺土、蘇州土為主要原料制備了太陽能儲熱用粘土結(jié)合SiC復(fù)相陶瓷。對燒結(jié)樣品進(jìn)行了XRD、SEM、EPMA測試分析，同時測試了樣品的抗彎強度和熱導(dǎo)率。研究結(jié)果表明，在1 400℃燒結(jié)溫度下保溫2 h獲得了性能優(yōu)良的粘土結(jié)合SiC復(fù)相陶瓷樣品，主晶相由SiC、莫來石、剛玉和方石英組成，其抗彎強度為65.5 MPa，熱導(dǎo)率為8.9W/(m·K)，該復(fù)相陶瓷具有優(yōu)良的抗熱震性能，有望應(yīng)用于太陽能熱發(fā)電中的儲熱材料。

太陽能儲熱，碳化硅，高嶺土，復(fù)相陶瓷，結(jié)構(gòu)與性能

1 前言

能源是國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)。以礦物燃料為主的傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)，不僅受到地球資源的限制，而且對地球環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，因此，新能源成為今后全球能源發(fā)展的重要方向。目前，太陽能、風(fēng)能、氫能都是非常重要的新能源，太陽能熱發(fā)電作為一種清潔無污染的新能源利用方式，已經(jīng)引起全世界科研工作者的廣泛關(guān)注[1]。20世紀(jì)90年代以來，美國、歐盟都制定了太陽能熱發(fā)電計劃，以積極推動其商業(yè)化進(jìn)程，預(yù)計2020年前后，太陽能熱發(fā)電將在發(fā)達(dá)國家實現(xiàn)商業(yè)化。我國中科院電工研究所等單位也在進(jìn)行太陽能熱發(fā)電的研究。太陽能熱發(fā)電優(yōu)于光伏發(fā)電的一個重要特點是能采用相對經(jīng)濟的儲熱技術(shù)(TES)，儲電則非常昂貴[2]，因此，儲熱材料成為太陽能熱發(fā)電成功走向市場的一個關(guān)鍵因素。SiC作為一種高溫結(jié)構(gòu)材料，具有高熔點、高硬度、化學(xué)穩(wěn)定性好、高熱導(dǎo)率、抗熱震性能好、高溫強度高等一系列優(yōu)異性能[3]，成為重要的太陽能熱發(fā)電候選儲熱材料。但是，SiC的燒結(jié)非常困難，必須采取特殊的燒結(jié)工藝及特殊的添加劑，制備成本很高。為了降低制備成本，在滿足太陽能熱發(fā)電應(yīng)用要求的前提下，本研究制備了低成本的粘土結(jié)合SiC復(fù)相陶瓷，并試圖將之用作太陽能熱發(fā)電中的儲熱材料。

2 實驗

以SiC粉（山東臨沫）、高嶺土（江西星子）、蘇州土為初始原料，所有原料均過200目篩備用。SiC質(zhì)復(fù)相陶瓷組成質(zhì)量分?jǐn)?shù)如下：SiC粉70%,高嶺土15%,蘇州土10%，熔劑5%，原料及配方樣品的化學(xué)組成見表1。將粉料混合均勻后加入聚乙烯醇(PVA)造粒，利用液壓機壓制成型，將成型樣品干燥后放入電爐中高溫?zé)Y(jié)，在1400℃下保溫2 h得到SiC質(zhì)復(fù)相陶瓷。

用Instron-5566型萬能實驗機進(jìn)行強度測試，采用日本產(chǎn)的D/max-RB型X-ray儀分析樣品的相組成，采用日本產(chǎn)的JSM-5610LV型掃描電鏡分析樣品的顯微結(jié)構(gòu)，用日本產(chǎn)的JXA-8800R電子探針儀對樣品進(jìn)行微區(qū)分析，用TC-7000H型激光熱常數(shù)儀測試樣品的熱導(dǎo)率。

表1 原料及樣品的化學(xué)組成Tab.1 Chemical compositions of raw materials and samples

3 結(jié)果與討論

3.1 S i C質(zhì)復(fù)相陶瓷的相組成分析

圖1為在1400℃下保溫2 h所獲得SiC質(zhì)復(fù)相陶瓷樣品的XRD圖譜。從圖1中可以看出，SiC質(zhì)復(fù)相陶瓷的主晶相為SiC，次晶相為莫來石、剛玉和方石英，石英相的出現(xiàn)是由于高嶺土及蘇州土的引入及高溫下少量SiC的氧化反應(yīng)生成的，莫來石是由高嶺土及蘇州土中的鋁、硅氧化物在高溫下生成。根據(jù)Al2O3-SiO2相圖可知，鋁、硅氧化物在 1250～1280℃會出現(xiàn)液相，從而生成莫來石[4]，莫來石是Al2O3-SiO2二元體系中唯一穩(wěn)定的化合物，由于莫來石線膨脹系數(shù)低，因此抗熱震性能很好[5]。另外由于莫來石中硅鋁離子擴散困難，晶格位錯滑移阻力大，使其具備了優(yōu)良的高溫抗蠕變性能，且高溫變形小，因此莫來石的生成有助于改善樣品的高溫性能[6]。

3.2 S i C質(zhì)復(fù)相陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)分析

圖2為在1400℃下保溫2 h所獲得SiC質(zhì)復(fù)相陶瓷樣品的SEM圖譜。從圖2(a)中可以看出，SiC復(fù)相陶瓷比較致密，少量氣孔均勻分布其中，從圖2(b)中可以看到很多柱狀的莫來石晶粒，莫來石的化學(xué)計量組成在富硅區(qū)域時莫來石晶粒為柱狀，隨著化學(xué)組成向富鋁變化，莫來石晶粒變?yōu)榈容S狀，富硅的莫來石陶瓷其高溫力學(xué)性能明顯優(yōu)于室溫力學(xué)性能，這一現(xiàn)象在結(jié)構(gòu)陶瓷中很少見。其原因可能是高溫下呈黏滯狀態(tài)的玻璃相對裂紋尖端有明顯的鈍化作用[7]，這也是該復(fù)相陶瓷有優(yōu)良高溫性能的原因。

3.3 S i C質(zhì)復(fù)相陶瓷的電子探針E P MA分析

表 2“1”、“2”、“3”點的化學(xué)成分Tab.2 Chemical compositions of the samples at Position 1,2 and 3

圖3～圖5為在1400℃下保溫2 h所獲得SiC質(zhì)復(fù)相陶瓷樣品的EPMA照片。從圖3(a)中可以看出制品中有明顯的液相，這些液相將SiC顆粒包裹在其中，液相的出現(xiàn)使燒結(jié)過程中傳質(zhì)速度加快，因此材料能在較低溫度下燒結(jié)。圖3為樣品元素指定點掃描圖。從圖3(b)可知，“1”點檢測到的元素有Si和Fe，F(xiàn)e的出現(xiàn)是由于初始原料高嶺土和蘇州土中含有少量Fe而引入；從圖3(b)可以看出“2”點檢測到的元素有Si和C，可以推斷“2”點的成分為SiC；從圖3(c)可以看出“3”點檢測到的元素有Si、Al和O，結(jié)合XRD分析結(jié)果可以推斷“3”點的成分為莫來石，且為富Si的莫來石，這與SEM中出現(xiàn)柱狀莫來石一致。表2為“1”、“2”、“3”的化學(xué)成分，與上述分析一致。圖 4 為樣品指定部位元素面分布圖。從圖中可以看出樣品中主要元素C、Al、Si、O分布其中，其間還有少量的Na、K、Mg、Ti、Ca、Fe。圖 5 為樣品二次電子像及元素線掃描圖。從圖中可見Si、C、Al出現(xiàn)高峰、而Na、K、Ca、Ti、Fe均布，表明有 SiC、莫來石等晶體生成，與面掃描及XRD分析一致。

3.4 SiC質(zhì)復(fù)相陶瓷在太陽能熱發(fā)電中的應(yīng)用前景分析

太陽能熱發(fā)電對儲熱材料的要求非常高[8]，首先是高溫要求，由于塔式太陽能熱發(fā)電站塔頂?shù)臏囟瘸^1000℃[9]，所以要求材料能在高溫下正常工作不損壞，該SiC質(zhì)復(fù)相陶瓷材料可以在1200℃的高溫下正常工作不損壞，可以滿足要求。第二要求材料有好的抗熱沖擊性能，該復(fù)相陶瓷可以從1000℃到室溫連續(xù)50次不損壞，具有優(yōu)良的抗熱震性能，也滿足要求。第三要求材料有高的熱導(dǎo)率，這樣可以方便熱量的存入與取出，同時可以防止材料由于局部溫度過高而造成損壞，該復(fù)相陶瓷的熱導(dǎo)率達(dá)8.9W/(m·K)，顯著高于一般的陶瓷材料，因此同樣滿足要求。第四要求材料具有較高的強度，該復(fù)相陶瓷抗彎強度達(dá)65.5 MPa，完全可以滿足要求。因此，該碳化硅質(zhì)復(fù)相陶瓷材料是應(yīng)用于太陽能熱發(fā)電的理想儲熱材料，在太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

（1）利用SiC粉、高嶺土和蘇州土為主要原料在1400℃下保溫2 h可以制備出滿足太陽能熱發(fā)電要求的粘土結(jié)合SiC質(zhì)復(fù)相陶瓷。

（2）XRD、SEM及 EPMA結(jié)果表明該復(fù)相陶瓷主晶相由SiC、莫來石、剛玉和方石英組成，從SEM照片可以看到棒狀的莫來石生成，莫來石的出現(xiàn)可以提高制品的高溫性能。

（3）該復(fù)相陶瓷適合高溫使用，具有優(yōu)良的抗熱震性能，熱導(dǎo)率為8.9W/(m·K)，抗彎強度達(dá) 65.5MPa，可以滿足太陽能熱發(fā)電儲熱材料的需要。

1 Ulf Herrmann and David W.Kearney.Survey of thermal energy storage for parabolic trough power plants.Journal of Solar Energy Engineering,2002,124(5):145～152

2 左遠(yuǎn)志,丁靜,楊曉西.中溫相變蓄熱材料研究進(jìn)展.現(xiàn)代化工,2005,25(12):15～19

3 蔡作乾,王璉,楊根.陶瓷材料辭典.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002

4 劉巖,黃政仁,董紹明等.碳化硅泡沫陶瓷漿料成分與燒結(jié)性能.無機材料學(xué)報,2005,20(2):305～309

5 李世普.特種陶瓷工藝學(xué).武漢:武漢理工大學(xué)出版社,1990

6 司全京,張效峰.莫來石結(jié)合SiC制品的研制.耐火材料,2004,33(2):90～92

7 江東亮,李龍土,歐陽世翕等.中國材料工程大典.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006

8 Mohammed M.farid,Amar M.Khudhair and Siddique Ali K.Razack.A review on phase change energy storage:materials and applications.Energy Conversion and Management,2004,45:1597～1615

9 D.Mills.Advances in solar thermal electricity technology.Solar Energy,2004,76:19～31

STUDY OF SiC-KAOLINITE COMPOSITE CERAMIC USED FOR SOLAR ENERGY STORAGE

Xu Xiaohong Li Jian Wu Jianfeng Fang Binzheng Liu Meng
(School of Materials Science and Technology,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070)

The SiC-kaolinite composite ceramic was prepared by using SiC,kaolinite and Suzhou clay as raw material.The sintered samples were measured by XRD,SEM and EPMA.The bending strength and thermal conductivity of the sintered samples were also characterized.The SiC composite ceramic with good properties can be obtained when sintered at 1400℃for 2 h,and the main phases of the SiC composite ceramic are SiC,mullite,α-Al2O3and cristobalite.The bending strength and thermal conductivity of the samples are 65.5 MPa and 8.9W/(m·K)respectively.The sample is characterized by excellent thermal shock resistance and the composite ceramic has promising potential application in solar energy storage.

solar energy storage,SiC,kaolinite,composite ceramic,structure and properties

on Jan.25,2010

T Q 1 7 4.7 5

A

1000-2278（2010）02-0176-04

2010-01-25

863項目(編號:2008AA05Z418)

吳建鋒，E-mail:wujf@whut.edu.cn

Wu Jianfeng,E-mail:wujf@whut.edu.cn