CN117049863A - 一种镁橄榄石基太阳能储热陶瓷及其制备方法与应用 - Google Patents

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徐晓虹
程甜甜
吴建锋
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    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
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Abstract

本发明公开一种镁橄榄石基太阳能储热陶瓷及其制备方法与应用,包括质量份数如下的组分:55‑65份电熔镁砂、35‑45份石英砂、4‑8份有机粘接剂、1‑5份复配致密剂;所述复配致密剂为TiO2、Sm2O3和Y2O3的混合物,致密度高、抗折强度好、储热密度高。

Description

一种镁橄榄石基太阳能储热陶瓷及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及太阳能新材料技术领域,尤其涉及一种镁橄榄石基太阳能储热陶瓷及其制备方法与应用。
背景技术
太阳能热发电是一种有别于太阳能光伏发电的新型太阳能热利用技术,其原理是白天将太阳光大量反射集聚在吸收塔上,产生较大热量,与水热交换后产生蒸汽,推动汽轮机发电。运行中,需要将部分热量储存起来,以供晚上和阴雨天持续且稳定发电。因此,储热装置是太阳能热发电中必不可少的部分。
陶瓷以其良好的耐高温性能和较高的储热密度,可成为较理想高温储热材料之一,镁橄榄石基材料具有熔点高、高温稳定性好和化学稳定性好等优点,可用于制备陶瓷耐火材料,然而,镁橄榄石基材料通常以刚玉、莫来石作为原料而制备,不但成本高,且烧结过程中陶瓷坯体容易产生开裂和变形,陶瓷致密度低,导致镁橄榄石基陶瓷材料应用于太阳能热发电时,出现储热密度低、机械性能差的问题。
因此,需要提供一种致密度高、抗折强度好、储热密度高的镁橄榄石基陶瓷材料。
发明内容
有鉴于此,本申请提供镁橄榄石基太阳能储热陶瓷及其制备方法与应用,致密度高、抗折强度好、储热密度高。
为达到上述技术目的,本申请采用以下技术方案:
第一方面,本申请提供一种镁橄榄石基太阳能储热陶瓷,包括质量份数如下的组分:55-65份电熔镁砂、35-45份石英砂、4-8份有机粘接剂、1-5份复配致密剂;复配致密剂为TiO2、Sm2O3和Y2O3的混合物。
优选的,电熔镁砂包括质量份数如下的组分:85-95份MgO、1-5份SiO2;0.5-2份Al2O3、1-2份Fe2O3、1-3份CaO。
优选的,石英砂包括质量份数如下的组分:95-99份SiO2、0.5-2份Al2O3、1-2份Fe2O3
优选的,复配致密剂中,TiO2、Sm2O3和Y2O3的质量比为2-3:7:6。
第二方面,本申请提供一种镁橄榄石基太阳能储热陶瓷的制备方法,包括以下步骤:
S1.按质量份将电熔镁砂、石英砂、复配致密剂混合球磨,得到混合料;
S2.在混合料中加入有机粘结剂后依次进行造粒、陈腐、压制成型,得镁橄榄石基太阳能储热陶瓷生坯;
S3.将镁橄榄石基太阳能储热陶瓷生坯干燥后,于1400-1700℃下烧成,即得镁橄榄石基太阳能储热陶瓷。
优选的,步骤S2中,压制成型的压力为30-50KN。
优选的,步骤S2中,陈腐的温度为25-30℃,陈腐的时间为24-48h。
优选的,步骤S3中,烧成的升温速率为3-8℃/min,烧成的保温时间为1-2h。
优选的,步骤S3中,干燥的温度为80-90℃,干燥的时间为24-36h。
第三方面,本申请提供一种镁橄榄石基太阳能储热陶瓷在太阳能热发电中的应用。
本申请的有益效果如下:
本申请的镁橄榄石基太阳能储热陶瓷以电熔镁砂、石英砂为原料,辅以复配致密剂,得到了低成本的镁橄榄石基太阳能储热陶瓷;该镁橄榄石基太阳能储热陶瓷的储热密度高达1200kJ/kg(室温~1000℃),工作温度可高达1400℃以上,吸水率低至0.5%,体积密度高达2.93cm-3,抗折强度高达50.13MPa,经30次热震循环(1100℃~室温)后无开裂,与纯镁橄榄石相比各性能提升近两倍,本方案的复配致密剂TiO2、Sm2O3和Y2O3协同提升了镁橄榄石基储热陶瓷的储热密度、抗折强度、致密度及工作温度,更适用于太阳能热发电。
附图说明
图1为致密剂为TiO2、Sm2O3和Y2O3的SEM图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本申请提供一种镁橄榄石基太阳能储热陶瓷,包括质量份数如下的组分:55-65份电熔镁砂、35-45份石英砂、4-8份有机粘接剂、1-5份复配致密剂;复配致密剂为TiO2、Sm2O3和Y2O3的混合物。
本方案的复配致密剂中,Ti4+和方镁石反应生成钛酸镁,消除方镁石,提高镁橄榄石含量和性能。Sm2O3和Y2O3在高温形成液相,为晶粒发育提供良好环境,使镁橄榄石致密化。三种复配致密剂使得镁橄榄石致密度和抗折强度有所提高。
电熔镁砂包括质量份数如下的组分:85-95份MgO、1-5份SiO2;0.5-2份Al2O3、1-2份Fe2O3、1-3份CaO。
石英砂包括质量份数如下的组分:95-99份SiO2、0.5-2份Al2O3、1-2份Fe2O3,满足该质量份数限定下,本申请的石英砂包括但不限于广东英德石英砂。
复配致密剂中,TiO2、Sm2O3和Y2O3的质量比为2-3:7:6,TiO2、Sm2O3和Y2O3中任一组分过多,吸水率和气孔率增加,致密度下降,其中Sm2O3的影响效果最为显著。
本申请提供一种镁橄榄石基太阳能储热陶瓷的制备方法,包括以下步骤:
S1.按质量份将55-65份电熔镁砂、35-45份石英砂、1-5份复配致密剂混合球磨,得到混合料;此步骤对各原材料进行了预处理,球磨后得到的混合料粒径为200-250目;复配致密剂为TiO2、Sm2O3和Y2O3的混合物;
S2.在混合料中加入4-8份有机粘接剂后依次进行造粒、陈腐、压制成型,得镁橄榄石基太阳能储热陶瓷生坯;有机粘结剂包括但不限于PVA;陈腐的具体步骤为,将造粒好的材料用容器密封储存,25-30℃陈腐24-48h。
S3.将镁橄榄石基太阳能储热陶瓷生坯干燥后,于1400-1700℃下烧成,即得镁橄榄石基太阳能储热陶瓷;烧成温度低于1400℃,镁橄榄石含量大幅降低,不利于镁橄榄石的合成。烧成温度高于1700℃,能耗增加导致成本增加。
步骤S2中,压制成型的压力为30-50KN。
步骤S3中,烧成的升温速率为3-8℃/min,最终在1400-1700℃条件下,保温1-2h。
步骤S3中,干燥的温度为80-90℃,干燥的时间为24-36h。
本申请提供一种镁橄榄石基太阳能储热陶瓷在太阳能热发电中的应用。
以下通过具体实施例对本方案进行进一步说明。
实施例1
一种镁橄榄石基太阳能储热陶瓷的制备方法,包括以下步骤:
S1.原料处理:按质量份将55g电熔镁砂、45g石英砂、5g复配致密剂混合球磨至250目,得到混合料;复配致密剂为质量比为3:7:6的TiO2、Sm2O3和Y2O3的混合物;
其中电熔镁砂包括质量份数如下的组分:95份MgO、1份SiO2;0.5份Al2O3、1份Fe2O3、1份CaO;石英砂包括质量份数如下的组分:95份SiO2、2份Al2O3、1份Fe2O3
S2.造粒、陈腐、成型:在混合料中加入8g有机粘接剂PVA后依次进行造粒,造粒后的材料用容器密封储存,30℃陈腐48h,再将其导入模具中压制成型,得镁橄榄石基太阳能储热陶瓷生坯;
S3.干燥、烧成:将镁橄榄石基太阳能储热陶瓷生坯置于恒温干燥箱中80℃干燥24h后,置于高温电炉中,在升温速率3℃/min的条件下升温至1700℃下烧成,并保温2h,即得镁橄榄石基太阳能储热陶瓷,其SEM图见图1。
实施例2
一种镁橄榄石基太阳能储热陶瓷的制备方法,包括以下步骤:
S1.原料处理:按质量份将65g电熔镁砂、35g石英砂、1g复配致密剂混合球磨至250目,得到混合料;复配致密剂为质量比为3:7:6的TiO2、Sm2O3和Y2O3的混合物;
其中电熔镁砂包括质量份数如下的组分:85份MgO、1份SiO2;0.5份Al2O3、1份Fe2O3、1份CaO;石英砂包括质量份数如下的组分:95份SiO2、0.5份Al2O3、1份Fe2O3
S2.造粒、陈腐、成型:在混合料中加入4g有机粘接剂PVA后依次进行造粒,造粒后的材料用容器密封储存,25℃陈腐24h,再将其导入模具中压制成型,得镁橄榄石基太阳能储热陶瓷生坯;
S3.干燥、烧成:将镁橄榄石基太阳能储热陶瓷生坯置于恒温干燥箱中80℃干燥36h后,置于高温电炉中,在升温速率8℃/min的条件下升温至1400℃下烧成,并保温1h,即得镁橄榄石基太阳能储热陶瓷。
实施例3
一种镁橄榄石基太阳能储热陶瓷的制备方法,其他内容与实施例1相同,所不同的是,复配致密剂为质量比为5:9:8的TiO2、Sm2O3和Y2O3的混合物。
对比例1
一种镁橄榄石基太阳能储热陶瓷的制备方法,其他内容与实施例1相同,所不同的是,复配致密剂中不包括Y2O3,复配致密剂组分的用量与实施例1中相同。
对比例2
一种镁橄榄石基太阳能储热陶瓷的制备方法,其他内容与实施例1相同,所不同的是,复配致密剂中不包括TiO2,复配致密剂组分的用量与实施例1中相同。
对比例3
一种镁橄榄石基太阳能储热陶瓷的制备方法,其他内容与实施例1相同,所不同的是,复配致密剂中不包括Sm2O3,复配致密剂组分的用量与实施例1中相同。
对比例4
一种镁橄榄石基太阳能储热陶瓷的制备方法,其他内容与实施例1相同,所不同的是,复配致密剂中仅包括Y2O3,复配致密剂组分的用量与实施例1中相同。
对比例5
一种镁橄榄石基太阳能储热陶瓷的制备方法,其他内容与实施例1相同,所不同的是,复配致密剂中仅包括TiO2,复配致密剂组分的用量与实施例1中相同。
对比例6
一种镁橄榄石基太阳能储热陶瓷的制备方法,其他内容与实施例1相同,所不同的是,复配致密剂中仅包括Sm2O3,复配致密剂组分的用量与实施例1中相同。
对比例7
一种镁橄榄石基太阳能储热陶瓷的制备方法,其他内容与实施例1相同,所不同的是,复配致密剂为质量比为10:7:6的TiO2、Sm2O3和Y2O3的混合物。
对比例8
一种镁橄榄石基太阳能储热陶瓷的制备方法,其他内容与实施例1相同,所不同的是,复配致密剂为质量比为3:7:10的TiO2、Sm2O3和Y2O3的混合物。
对比例9
一种镁橄榄石基太阳能储热陶瓷的制备方法,其他内容与实施例1相同,所不同的是,复配致密剂为质量比为3:10:6的TiO2、Sm2O3和Y2O3的混合物。
对比例10
一种镁橄榄石基太阳能储热陶瓷的制备方法,其他内容与实施例1相同,所不同的是,不包括复配致密剂。
评价测试
对实施例1-3及对比例1-10得到的镁橄榄石基太阳能储热陶瓷进行性能测评,结果如表1所示,其中:
抗折强度:采用电子万能试验机(深圳市瑞格尔RGM-4100)测定样品抗折强度。
比热容:利用微量热仪(法国Setaram公司C80型微量热仪)测定样品的比热,并对应得到储热密度。
吸水率和体积密度:根据阿基米德原理,采用静力称重法测试样品的吸水率和体积密度,体积密度越大,致密度越大。
表1测试结果
实施例1与对比例10对比可知,复配致密剂对纯镁橄榄石的性能有近两倍的提升,储热密度亦大幅提升。对比例1-3可知,三种添加剂少一种则性能变化较大,三者缺一不可。对比例4-6和对比例7-9表明单一添加剂较复合添加剂吸水率有所增大,抗折强度降低。单一添加剂过量时,性能进一步降低,其中抗折强度表现最明显。
以对比例10为空白对照,实施例1的抗折强度、储热密度的变化程度远大于与对比例1与对比例4的变化程度的加和;以对比例10为空白对照,实施例1的抗折强度、储热密度的变化程度远大于与对比例2与对比例5的变化程度的加和;以对比例10为空白对照,实施例1的抗折强度、储热密度的变化程度远大于与对比例3与对比例6的变化程度的加和;说明TiO2、Sm2O3和Y2O3能协同提高产品的抗折强度及储热密度。
对比例5中,添加单一TiO2使得样品中顽火辉石,方石英和方镁石消失,钛酸镁出现,使得镁橄榄石结晶颗粒增大,晶界清晰,气孔减小见图1。添加单一Sm2O3时样品存在少量方镁石,出现少量Sm4.66O(SiO4)3,晶粒逐渐增大,使得结构较致密。添加单一Y2O3时样品存在少量方镁石,生成少量Mg5Y6Si5O2,结构较紧密。复合添加剂TiO2、Sm2O3和Y2O3使得样品中方镁石消失,镁橄榄石含量增加,Sm(TiO3)出现,极少量Ti4+与Mg2+反应使得方镁石消失。其中添加剂Sm2O3和Y2O3的存在使得样品在烧成过程中产生液相,为晶粒发育提供良好环境,晶粒间结构更加紧密,有利于结构致密化,故复合添加剂的致密度高。
以上,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种镁橄榄石基太阳能储热陶瓷,其特征在于,包括质量份数如下的组分:55-65份电熔镁砂、35-45份石英砂、4-8份有机粘接剂、1-5份复配致密剂;所述复配致密剂为TiO2、Sm2O3和Y2O3的混合物。
2.根据权利要求1所述的镁橄榄石基太阳能储热陶瓷,其特征在于,所述电熔镁砂包括质量份数如下的组分:85-95份MgO、1-5份SiO2;0.5-2份Al2O3、1-2份Fe2O3、1-3份CaO。
3.根据权利要求1所述的镁橄榄石基太阳能储热陶瓷,其特征在于,所述石英砂包括质量份数如下的组分:95-99份SiO2、0.5-2份Al2O3、1-2份Fe2O3
4.根据权利要求1所述的镁橄榄石基太阳能储热陶瓷,其特征在于,所述复配致密剂中,TiO2、Sm2O3和Y2O3的质量比为2-3:7:6。
5.一种根据权利要求1-4任一项所述的镁橄榄石基太阳能储热陶瓷的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1.按质量份将电熔镁砂、石英砂、复配致密剂混合球磨,得到混合料;
S2.在混合料中加入有机粘结剂后依次进行造粒、陈腐、压制成型,得镁橄榄石基太阳能储热陶瓷生坯;
S3.将所述镁橄榄石基太阳能储热陶瓷生坯干燥后,于1400-1700℃下烧成,即得所述镁橄榄石基太阳能储热陶瓷。
6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,步骤S2中,压制成型的压力为30-50KN。
7.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,步骤S2中,陈腐的温度为25-30℃,陈腐的时间为24-48h。
8.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,步骤S3中,所述烧成的升温速率为3-8℃/min,烧成的保温时间为1-2h。
9.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,步骤S3中,干燥的温度为80-90℃,干燥的时间为24-36h。
10.一种如权利要求1-4任一项所述的镁橄榄石基太阳能储热陶瓷在太阳能热发电中的应用。
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