用于太陽能儲熱的粘土結合SiC復相陶瓷結構分析

徐曉虹 李劍 吳建鋒 方斌正 劉孟

(武漢理工大學材料科學與工程學院,武漢：430070)

用于太陽能儲熱的粘土結合SiC復相陶瓷結構分析

徐曉虹 李劍 吳建鋒 方斌正 劉孟

(武漢理工大學材料科學與工程學院,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合SiC復相陶瓷。對燒結樣品進行了XRD、SEM、EPMA測試分析，同時測試了樣品的抗彎強度和熱導率。研究結果表明，在1 400℃燒結溫度下保溫2 h獲得了性能優良的粘土結合SiC復相陶瓷樣品，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，熱導率為8.9W/(m·K)，該復相陶瓷具有優良的抗熱震性能，有望應用于太陽能熱發電中的儲熱材料。

太陽能儲熱，碳化硅，高嶺土，復相陶瓷，結構與性能

1 前言

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

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質復相陶瓷組成質量分數如下：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燒結，在1400℃下保溫2 h得到SiC質復相陶瓷。

用Instron-5566型萬能實驗機進行強度測試，采用日本產的D/max-RB型X-ray儀分析樣品的相組成，采用日本產的JSM-5610LV型掃描電鏡分析樣品的顯微結構，用日本產的JXA-8800R電子探針儀對樣品進行微區分析，用TC-7000H型激光熱常數儀測試樣品的熱導率。

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

3 結果與討論

3.1 S i C質復相陶瓷的相組成分析

圖1為在1400℃下保溫2 h所獲得SiC質復相陶瓷樣品的XRD圖譜。從圖1中可以看出，SiC質復相陶瓷的主晶相為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Al2O3-SiO2相圖可知，鋁、硅氧化物在 1250～1280℃會出現液相，從而生成莫來石[4]，莫來石是Al2O3-SiO2二元體系中唯一穩定的化合物，由于莫來石線膨脹系數低，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質復相陶瓷的顯微結構分析

圖2為在1400℃下保溫2 h所獲得SiC質復相陶瓷樣品的SEM圖譜。從圖2(a)中可以看出，SiC復相陶瓷比較致密，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，莫來石的化學計量組成在富硅區域時莫來石晶粒為柱狀，隨著化學組成向富鋁變化，莫來石晶粒變為等軸狀，富硅的莫來石陶瓷其高溫力學性能明顯優于室溫力學性能，這一現象在結構陶瓷中很少見。其原因可能是高溫下呈黏滯狀態的玻璃相對裂紋尖端有明顯的鈍化作用[7]，這也是該復相陶瓷有優良高溫性能的原因。

3.3 S i C質復相陶瓷的電子探針E P MA分析

表 2“1”、“2”、“3”點的化學成分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質復相陶瓷樣品的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，液相的出現使燒結過程中傳質速度加快，因此材料能在較低溫度下燒結。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，Fe的出現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，結合XRD分析結果可以推斷“3”點的成分為莫來石，且為富Si的莫來石，這與SEM中出現柱狀莫來石一致。表2為“1”、“2”、“3”的化學成分，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質復相陶瓷在太陽能熱發電中的應用前景分析

太陽能熱發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電站塔頂的溫度超過1000℃[9]，所以要求材料能在高溫下正常工作不損壞，該SiC質復相陶瓷材料可以在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，該復相陶瓷可以從1000℃到室溫連續50次不損壞，具有優良的抗熱震性能，也滿足要求。第三要求材料有高的熱導率，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，該復相陶瓷的熱導率達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，該復相陶瓷抗彎強度達65.5 MPa，完全可以滿足要求。因此，該碳化硅質復相陶瓷材料是應用于太陽能熱發電的理想儲熱材料，在太陽能熱發電領域有很好的應用前景。

4 結論

（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電要求的粘土結合SiC質復相陶瓷。

（2）XRD、SEM及 EPMA結果表明該復相陶瓷主晶相由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，莫來石的出現可以提高制品的高溫性能。

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

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 左遠志,丁靜,楊曉西.中溫相變蓄熱材料研究進展.現代化工,2005,25(12):15～19

3 蔡作乾,王璉,楊根.陶瓷材料辭典.北京:化學工業出版社,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性能.無機材料學報,2005,20(2):305～309

5 李世普.特種陶瓷工藝學.武漢:武漢理工大學出版社,1990

6 司全京,張效峰.莫來石結合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:化學工業出版社,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