包裹相变材料的储热SiC复相陶瓷研究

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1、武汉理工大学博士学位论文摘要自然界很多能源具有间歇性和不稳定性的特点，所以必须使用储热材料，储热材料的使用可以帮助更有效的使用自然界中的能源。太阳能就是一种只有晴朗的白天才有的间歇性能源，储热材料可以将白天多余的太阳能储存起来，等到天黑或阴雨天时再取出使用。其它领域如工业废热回收也需要使用储热材料。太阳能热发电被认为是最可能引起能源革命、实现大功率发电、替代常规能源的最经济手段之一，太阳能热发电有三种方式，槽式、塔式和碟式发电，无论哪一种方式均是将太阳能热能聚焦，使聚焦的热能加热工质推动气轮机发电。由于太阳能热发电温度很高，如塔式电站塔顶温度达1000"(2以上

2、，因此，必须使用高温储热材料，高温储热材料的使用，可以使输出的电力更加平稳、有效，还可以提高发电系统的年利用率，例如一塔式太阳能热发电系统，如果没有储热装置，年利用率只有25％，有则能提高到65％，且不需要燃料作为后备能源。．本文基于太阳能热发电需要，制备了包裹相变材料(PCM)的高温复合储热材料。首先在碳化硅中加入少量苏州土和长石等天然矿物原料，在1320℃烧成温度下保温2h可以制备出满足太阳能热发电要求的粘土结合SiC质复相陶瓷基体材料，最佳配方为：SiC，80．36wt％；苏州土，8．93wt％：长石，4．46％；石英，6．26％，其气孔率为24．06％，

3、吸水率为II．10％，体积密度为2．219，c岔，导热系数为9．0W／(m·K)，抗热震性(I100---室温循环)为42次不裂。XRD分析表明该复相陶瓷晶相由SiC、莫来石和方石英组成，显微结构研究表明有针棒状的莫来石生成，长石、苏州土及石英的加入，有助于降低烧成温度、加速样品致密化过程，更有利于莫来石的生成，奠来石可提高制品的高温性能。该复相陶瓷适合高温使用，具有优良的抗热震性能，可以满足太阳能热发电储热材料的需要。在以上研究材料优良配方的基础上，外加少量堇青石基础玻璃粉，在1200℃烧成温度下保温2h可以制各出性能优良的微晶玻璃结合SiC质复相陶瓷，堇青石

4、玻璃的的最佳添加量为10wt％，其气孔率为19．11％，吸水率为9．19％，体积密度为2．259／cm3，导热系数为5．8W／(m·K)，堇青石玻璃的加入大大降低了材料的烧成温度。XRD分析表明微晶玻璃结合陶瓷样品晶相由SiC、莫来石、武汉理工大学博士学位论文堇青石和方石英组成，显微结构研究表明有六方柱状的堇青石和针棒状的莫来石生成，两者的出现增加了样品的强度。堇青石的加入降低了样品的热膨胀系数，同时也降低了样品的热导率。研究了多种相变材料与碳化硅质陶瓷的化学相容性，结果发现PCM与SiC基陶瓷的复合具有一定的选择性，只有硫酸钠、氯化钠熔盐与碳化硅陶瓷有良好的化

5、学相容性。研究了3种用于SiC基陶瓷封装PCM的高温封装剂，研究表明堇青石系封装剂的热膨胀系数为5．3x10—6／℃，与基体材料热膨胀系数6．2x10—6／℃最为接近，测试结果表明，堇青石系粘结剂与碳化硅材料的封接良好，是一种性能优良的高温封装剂。利用塑压成型工艺成功制备了复合储热陶瓷球基体，基体坯泥中聚乙烯醇PVA溶液的添加量为6％，水的添加量为22％。在该陶瓷球基体中封装PCM材料制备的储热材料具有较大的相变潜热为143KJ／kg、储热密度为264KJ／kg，热导率为5．7W／(m·K)，是一种性能优良的显热．潜热储热材料。将球形潜热．显热复合储热材料放入储

6、热室模拟了其充放热性能，结果发现：影响储热室性能的因素储多，储热室的长度、气体的流量、储热系统的换向时间及储热球的直径都是影响储热室性能的重要参数。增大储热室的长度可以提高储热室的性能，因此，在条件许可的情况下应尽量增加储热室的长度。储热室结构一定时，单位时间内通过储热室气体的流量越多，储热室的效率越低。储热室结构一定时，冷热流体换向时间越长，储热室的效率越低。球体储热材料的半径越小，储热室换热比表面积越大，储热室效率越高。关键词：太阳能储热：碳化硅基复相陶瓷；相变材料；潜热．显热复合储热材料；微晶玻璃；高温封装剂；结构与性能：热力学优化Ⅱ武汉理工大学博士学位论

7、文AbstractEnergystorageplaysimportantrolesinconservingavailableenergyandimprovingitsutilization,sincemanyenergysourcesareintermittentinllatB把．Solarenergyisavailableonlyduringtheday,andhence，itsapplicationreqttiresallefficientthermalenergystoragesothattheexcessheatcollectedduringsunshi

8、nehoursmaybe