CN111269015A - 一种致密化的莫来石-刚玉-SiC太阳能热发电用复相储热陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种致密化的莫来石‑刚玉‑SiC太阳能热发电用复相储热陶瓷材料及其制备方法。本发明中通过向由两种粒径混合形成的SiC混合粉中添加高活性煅烧铝矾土，不仅引入了莫来石和刚玉两种结合相，同时还可使得不同粒径的SiC颗粒和煅烧铝矾土形成粗、中、细级配，辅以二次成型的使用，不仅大大降低了SiC基储热材料的烧成温度，最终还使得制得的陶瓷材料具有较高的致密度、机械性能和储热性能。

Description

一种致密化的莫来石-刚玉-SiC太阳能热发电用复相储热陶 瓷材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及新能源陶瓷技术领域，尤其涉及一种致密化的莫来石-刚玉-SiC太阳能热发电用复相储热陶瓷材料及其制备方法。
背景技术
太阳能作为最理想的可再生能源，开发和利用太阳能的太阳能热发电技术是最具潜力的绿色发电方式，然而，太阳能的昼夜间断性和天气变化导致的不连续性也限制了太阳能热发电技术的应用。
为维持太阳能装置的正常运行，保证电力的平稳输出，储热技术成为太阳能热发电系统的关键，而储热材料的储热性能和抗热震性能是影响光热转换效率以及使用寿命的关键，这直接关系到太阳能热发电的效率和成本。因此，研究一种具有较高的致密度和抗热震性能的高温储热陶瓷新材料成为新一代太阳能热发电光热转换系统的关键。
储热技术按其储热方式不同，分为显热、潜热和化学储热。显热储热技术因其原理最简单、材料来源最丰富、技术最成熟，成为应用最广泛的储热方式。目前常见的显热储热材料多为高温混凝土及陶瓷材料，高温混凝土储热材料一般内置有合金换热管道，其管道成本已高达整个储热系统成本的45％-55％，且作为储热材料导热率很低，如公开号为CN104671728A、发明名称为“一种太阳能中温蒸汽发电用混凝土储热材料及其制备方法”的发明专利中提供的混凝土储热材料的热导率最高仅有1.78W·(m·K)-1，计算可得其储热密度不超过480J·g-1；相比之下，陶瓷作为储热材料，储热密度相对较高，《Selectionofmaterials for high temperature sensible energy storage》(S.Khare，M.Dell'Amico，C.Knight，S.McGarry.Vol.115(2013)，114-122)一文指出，陶瓷材料相较于其他材料具有明显优势，常见的高温陶瓷显热储热材料有刚玉、氧化锆、莫来石等氧化物以及SiC等非氧化物，但SiC由于热导率高、抗热震性能优异等优势，成为高温储热陶瓷材料的理想材料，但SiC基复合材料致密化困难，使其在太阳能储热领域应用受限，如公开号为CN106045486A、发明名称为“高热导率红柱石/碳化硅复相储热陶瓷及其制备方法”的发明专利中提供的SiC基复相储热陶瓷材料储热密度可高达900J·g-1，虽然其体积密度大于2.00g·cm-3，仍未达到理想的致密化效果。
因此，制备一种能够满足以空气为工质的高效热发电系统的储热要求(工作温度达800-1000℃)同时又兼具致密化的、抗热震性优异的SiC基储热材料迫在眉睫。
发明内容
针对上述问题，现提供一种致密度高、抗震性能好、储热密度大且成本低廉的致密化的莫来石-刚玉-SiC太阳能热发电用复相储热陶瓷材料及其制备方法，旨在有效满足太阳能吸热储热的使用要求的同时还可实现对太阳能吸热储热系统的有效调控。
具体技术方案如下：
本发明的第一个方面是提供一种致密化的莫来石-刚玉-SiC太阳能热发电用复相储热陶瓷材料的制备方法，具有这样的特征，包括如下步骤：
(1)原料处理：将SiC粉、煅烧铝矾土粉、高岭土粉球磨混合均匀，得混合粉料；
(2)制备坯体：向混合粉料中加入粘结剂并混合均匀，得坯料，然后将坯料压制成坯体后再压制成型，随后将压制成型后的坯体烘干，得干燥坯体；
(3)烧成：将干燥坯体埋入装有石墨粉的匣钵中，再将匣体置于电阻炉中烧结，得一种致密化的莫来石-刚玉-SiC太阳能热发电用复相储热陶瓷材料；
其中，步骤(1)中SiC粉由粒径为240目的SiC粉及粒径为700目的SiC粉按质量比为4:1混合形成，煅烧铝矾土粉粒径为250-325目，高岭土粉粒径为250-325目，且SiC粉、煅烧铝矾土粉、高岭土粉的质量百分比为(54.55-72.73):(18.18-36.36):9.09。
上述的制备方法，还具有这样的特征，步骤(2)中粘结剂为聚乙烯醇水溶液，且粘结剂中聚乙烯醇含量为5wt％。
上述的制备方法，还具有这样的特征，步骤(2)中以混合粉料重质量计，粘结剂的加入量为3-5wt％。
上述的制备方法，还具有这样的特征，步骤(2)中坯体经冷等静压压制成型，冷等静压压强为200-300MPa。
上述的制备方法，还具有这样的特征，步骤(3)中烧结工艺为：以3-5℃/min的升温速率升温至1400-1520℃并保温1.5-2.5h。
本发明的第二个方面是提供一种利用上述制备方法制备获得的致密化的莫来石-刚玉-SiC太阳能热发电用复相储热陶瓷材料。
上述方案的有益效果是：
1)、本发明中通过向由两种粒径混合形成的SiC混合粉中添加高活性煅烧铝矾土，不仅引入了莫来石和刚玉两种结合相，同时还可使得不同粒径的SiC颗粒和煅烧铝矾土形成粗、中、细级配，辅以二次成型的使用，不仅大大降低了SiC基储热材料的烧成温度，最终还使得制得的陶瓷材料具有较高的致密度、机械性能和储热性能。具体的，本发明制得的陶瓷材料的体积密度、抗折强度和储热密度分别可达2.30g·cm-3、77.05MPa、996J·g-1；
2)、本发明中制得的陶瓷材料抗热震性能优异，其抗折强度不降反增，经30次热震循环试验后均无开裂，远超GB/T 30873-2014中的有关要求，从而可有效延长吸热储热系统的使用寿命。
附图说明
图1为本发明的实施例1中制得的陶瓷材料抗热震30次循环后的扫描电镜图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
实施例1
一种致密化的莫来石-刚玉-SiC太阳能热发电用复相储热陶瓷材料，其制备包括如下步骤：
(1)原料处理：称取54.55wt％SiC粉(由粒径为240目的SiC粉及粒径为700目的SiC粉按质量比为4:1混合形成)、36.36wt％煅烧铝矾土粉(粒径为250-325目)和9.09wt％高岭土粉(粒径为250-325目)并球磨混合均匀，得混合粉料；
(2)制备坯体：向混合粉料中加入3wt％粘结剂(含量为5wt％的聚乙烯醇水溶液)并混合均匀，得坯料，然后将坯料预压形成条状坯体，再将条状坯体于200MPa下冷等静压成型，随后将压制成型后的坯体烘干，得干燥坯体；
(3)烧成：将干燥坯体埋入装有石墨粉的匣钵中，再将匣体置于电阻炉中进行烧结(烧结工艺为：3℃/min的升温速率升温至1400℃后再保温2.5h)，得一种致密化的莫来石-刚玉-SiC太阳能热发电用复相储热陶瓷材料。
由附图1可看出，本发明提供的由不同粒径的SiC颗粒和煅烧铝矾土级配形成的骨料烧成的陶瓷材料中气孔主要分布于粒径较大的SiC颗粒间的结合界面处，而不同粒径的SiC颗粒与刚玉及莫来石的结合界面并无较为明显的气孔，这使得材料最终的致密度、机械性能和储热性能较好。具体的，检测表明，本实施例中提供的陶瓷材料吸水率达12.88％，体积密度达2.30g·cm-3，抗折强度达77.05MPa，储热密度高达996kJ·g-1。
检测表明，本实施例中提供的陶瓷材料经30次热震循环实验在(1100℃～室温)后无开裂，同时其抗折强度进一步增加到96.00MPa，可满足新一代太阳能热发电技术对储热材料的性能要求。
实施例2
一种致密化的莫来石-刚玉-SiC太阳能热发电用复相储热陶瓷材料，其制备包括如下步骤：
(1)原料处理：称取63.64wt％SiC粉(由粒径为240目的SiC粉及粒径为700目的SiC粉按质量比为4:1混合形成)、27.27wt％煅烧铝矾土粉(粒径为250-325目)和9.09wt％高岭土粉(粒径为250-325目)并球磨混合均匀，得混合粉料；
(2)制备坯体：向混合粉料中加入4wt％粘结剂(含量为5wt％的聚乙烯醇水溶液)并混合均匀，得坯料，然后将坯料预压形成条状坯体，再将条状坯体于240MPa下冷等静压成型，随后将压制成型后的坯体烘干，得干燥坯体；
(3)烧成：将干燥坯体埋入装有石墨粉的匣钵中，再将匣体置于电阻炉中进行烧结(烧结工艺为：3℃/min的升温速率升温至1480℃后再保温2h)，得一种致密化的莫来石-刚玉-SiC太阳能热发电用复相储热陶瓷材料。
检测表明，本实施例中提供的陶瓷材料吸水率达13.83％，体积密度达2.19g·cm-3，抗折强度达72.48MPa，储热密度高达968kJ·g-1。
检测表明，本实施例中提供的陶瓷材料经30次热震循环实验在(1100℃～室温)后无开裂，同时其抗折强度进一步增加到92.32MPa，可满足新一代太阳能热发电技术对储热材料的性能要求。
实施例3
一种致密化的莫来石-刚玉-SiC太阳能热发电用复相储热陶瓷材料，其制备包括如下步骤：
(1)原料处理：称取72.73wt％SiC粉(由粒径为240目的SiC粉及粒径为700目的SiC粉按质量比为4:1混合形成)、18.18wt％煅烧铝矾土粉(粒径为250-325目)和9.09wt％高岭土粉(粒径为250-325目)并球磨混合均匀，得混合粉料；
(2)制备坯体：向混合粉料中加入5wt％粘结剂(含量为5wt％的聚乙烯醇水溶液)并混合均匀，得坯料，然后将坯料预压形成条状坯体，再将条状坯体于300MPa下冷等静压成型，随后将压制成型后的坯体烘干，得干燥坯体；
(3)烧成：将干燥坯体埋入装有石墨粉的匣钵中，再将匣体置于电阻炉中进行烧结(烧结工艺为：3℃/min的升温速率升温至1520℃后再保温1.5h)，得一种致密化的莫来石-刚玉-SiC太阳能热发电用复相储热陶瓷材料。
检测表明，本实施例中提供的陶瓷材料吸水率达13.79％，体积密度达2.17g·cm-3，抗折强度达72.81MPa，储热密度高达951kJ·g-1。
检测表明，本实施例中提供的陶瓷材料经30次热震循环实验在(1100℃～室温)后无开裂，同时其抗折强度进一步增加到89.51MPa，可满足新一代太阳能热发电技术对储热材料的性能要求。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种致密化的莫来石-刚玉-SiC太阳能热发电用复相储热陶瓷材料及其制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)原料处理：将SiC粉、煅烧铝矾土粉、高岭土粉球磨混合均匀，得混合粉料；
(2)制备坯体：向混合粉料中加入粘结剂并混合均匀，得坯料，然后将坯料压制成坯体后再压制成型，随后将压制成型后的坯体烘干，得干燥坯体；
(3)烧成：将干燥坯体埋入装有石墨粉的匣钵中，再将匣体置于电阻炉中烧结，得一种致密化的SiC-莫来石-刚玉太阳能热发电复相储热陶瓷材料；
其中，步骤(1)中SiC粉由粒径为240目的SiC粉及粒径为700目的SiC粉按质量比为4:1混合形成，煅烧铝矾土粉粒径为250-325目，高岭土粉粒径为250-325目，且SiC粉、煅烧铝矾土粉、高岭土粉的质量百分比为(54.55-72.73):(18.18-36.36):9.09。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中粘结剂为聚乙烯醇水溶液，且粘结剂中聚乙烯醇含量为5wt％。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中以混合粉料重质量计，粘结剂的加入量为3-5wt％。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中坯体经冷等静压压制成型，冷等静压压强为200-300MPa。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中烧结工艺为：以3-5℃/min的升温速率升温至1400-1520℃并保温1.5-2.5h。
6.一种致密化的SiC-莫来石-刚玉太阳能热发电复相储热陶瓷材料，其特征在于，根据权利要求1-5任一项制备方法制备获得。
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