可再生能源利用是解决当前能源危机的重要途径。塔式太阳能热发电技术因可清洁、高效利用太阳能而备受关注。作为塔式太阳能热发电系统重要构件的吸热体材料需承担接收太阳聚光能量、吸热和换热等重要工作,其性能优劣决定系统的发电效率。目前吸热体材料仍存在服役温度较低、抗热震性能和高温抗氧化性能不佳等缺陷。针对上述问题,本文以碳化硅(SiC)、α-氮化硅(α-Si3N4)、氮化铝(AlN)、煅烧铝矾土和石英为原料,以稀土氧化物(RE2O3)为添加剂,采用分层埋粉烧结法制备了性能良好的SiC-Sialon复相吸热陶瓷,通过XRF、XRD、SEM和EPMA等测试手段研究了材料组成、制备工艺、结构与性能的关系,探讨了Sialon陶瓷的合成机理;研究了在Sialon中添加SiC和烧结温度对材料结构与性能的影响规律,分析了RE2O3在SiC/O’-Sialon陶瓷中的作用机制,确定了Y2O3和Sm2O3的最佳添加量,并就二者对抗热震性能和抗氧化性能的改善机理进行了探讨。主要研究成果如下:(1)采用分层埋粉烧结法分别合成了β-Sialon(样品编号B1)、O’-Sialon(B2)和β/O’-Sialon(B3)陶瓷,研究了组成、结构与性能的关系,探讨了它们的合成机理。三者比较,β-Sialon陶瓷结构致密、抗折强度较高、抗热震性能较好,经1600°C烧结B1样品的气孔率和抗折强度分别为3.90%和195.36 MPa。热震循环试验30次后(室温~1100°C,风冷),样品的抗折强度为130.54 MPa,强度损失率为33.18%。O’-Sialon陶瓷的抗氧化性能最优,将经1600°C烧结的B2样品在1300°C氧化100 h后,氧化增重为13.9893 mg·cm-2,氧化速率常数为0.6958 mg2·cm-4·h-1。Sialon合成机理研究表明,Sialon陶瓷的合成遵从溶解、相变、沉积、成核和晶粒长大的规律。高温下,α-Si3N4首先溶于液相、相变形成β-Si3N4。当体系中Si-Al-O-N过饱和时,β-Si3N4与Al2O3、AlN反应,在异相颗粒表面沉积形成Sialon晶核,继而发育生长。Sialon陶瓷的最佳烧结温度为1600°C,在1540°C~1640°C范围内,O’-Sialon合成率较高。将β-Sialon和O’-Sialon复合后,体系中有x-Sialon生成。(2)研制了原位合成Sialon结合SiC的太阳能热发电用吸热陶瓷,为吸热体材料的低成本、模块化制造提供了新途径。研究表明,添加SiC可提高材料的太阳辐射吸收率和服役温度,减小样品热震后的强度损失率。抗热震机理研究表明,第1次热震时,样品中的sic和si3n4氧化形成的sio2液相,填充气孔,促进致密化,少量sialon氧化分解产生莫来石增强样品,使材料强度增大;随热震次数增加,样品中sio2过量,冷却形成大量石英和玻璃相,导致材料热震损伤加剧,样品强度下降。经1600°c烧结的sic/β-sialon陶瓷(c1)抗折强度较高(70.04mpa),热膨胀系数小(5.86×10-6°c-1),孔径分布均匀,使其抗热震性能最佳。热震30次后(室温~1100°c,风冷),样品的抗折强度为66.68mpa,强度损失率为4.79%。抗氧化机理研究表明,o’-sialon富氧,样品表面形成的氧化膜可有效阻止氧气扩散,使sic/o’-sialon(c2)陶瓷具备良好的抗氧化性能。将经1600°c烧结的c2样品在1300°c氧化100h后,氧化增重为23.6445mg·cm-2,氧化速率常数为2.0119mg2·cm-4·h-1。(3)为进一步改善改sic-sialon吸热陶瓷的性能,分别以3wt%的sm2o3、ho2o3、er2o3、tm2o3和lu2o3为添加剂,制备了sic/o’-sialon吸热陶瓷,探讨了稀土种类对材料常温性能、抗热震性能和抗氧化性能的影响。研究表明,在不同烧结温度下,各配方样品最高抗折强度随添加的稀土re3+离子半径减小先升后降,材料的抗热震性能和抗氧化性能先减弱后增强。经1640°c烧结d1样品(sm2o33wt%)的综合性能最佳,其气孔率和抗折强度分别为31.23%和68.70mpa。热震循环试验30次后(室温~1100°c,风冷),d1样品的抗折强度为63.90mpa,强度损失率为6.98%。在1300°c氧化100h后,d1样品的氧化增重为20.8763mg·cm-2,氧化速率常数为1.1929mg2·cm-4·h-1。热震循环试验和氧化循环试验研究发现,因sm3+半径较大,在反复的热震循环试验中可形成低黏度液相,促进晶粒生长和致密化,故d1样品抗热震性能最优;在氧化循环试验过程中,sm2o3使样品表面快速形成氧化膜,界面反应被抑制,因而d1样品的抗氧化性能最佳。在o’-sialon的固溶极限内添加稀土er3+可细化晶粒,提高样品强度,经1640°c烧结的d3样品(er2o33wt%)抗折强度达79.19mpa。(4)研究了y2o3的添加量对sic/o’-sialon陶瓷的结构与性能的影响,探讨了抗热震性能的改善机理。研究表明,适量增加y2o3的添加量可显著改善sic/o’-sialon陶瓷的抗热震性能,y2o3的最佳添加量为9wt%。经1640°c烧结e4样品(61μmsic48wt%、20μmsic12wt%、α-si3n424.78wt%、煅烧铝矾土5.04wt%、石英10.18wt%、y2o39wt%)的综合性能最佳,其气孔率和抗折强度为26.54%和89.11mpa。热震循环试验30次后(室温~1100°c,风冷),样品抗折强度为102.98 MPa,强度增加率为15.57%。在1300°C氧化100 h后,E4样品的氧化增重为9.5568 mg·cm-2,氧化速率常数为0.3625 mg2·cm-4·h-1。抗热震机理研究表明,以5 wt%~9 wt%的Y2O3为添加剂时,热震过程中SiC的氧化和O’-Sialon的分解被抑制,石英和玻璃相含量减少,热震生成Y2Si2O7也可消耗过量石英,使热震循环中样品的开裂倾向性减小,改善了材料的抗热震性能。(5)研究了Sm2O3的添加量对SiC/O’-Sialon陶瓷的结构与性能的影响,探讨了抗氧化性能的改善机理。研究表明,适量增加Sm2O3的添加量可显著改善SiC/O’-Sialon陶瓷的抗氧化性能。经1640°C烧结F5样品(61μm SiC 48 wt%、20μm SiC 12 wt%、α-Si3N4 24.78 wt%、煅烧铝矾土5.04 wt%、石英10.18 wt%、Sm2O3 11 wt%)的抗氧化性能最佳。在1300°C氧化100 h后,F5样品的氧化增重为5.5043 mg/cm2,氧化速率常数为0.2813 mg2·cm-4·h-1。抗氧化机理研究表明,Sm3+半径较大,Sm2O3可形成低黏度液相,快速形成氧化膜,抑制界面反应进行。因此,若在SiC/O’-Sialon陶瓷中分别引入等量的Y2O3和Sm2O3,Sm2O3对SiC/O’-Sialon陶瓷抗氧化性能的改善效果更佳。增加Sm2O3添加量不仅可抑制界面反应,降低该过程氧化增重,也可促进样品表面生成Sm2Si2O7等晶相,阻止空气向样品内部扩散,减小扩散控制阶段氧化增重。上述两因素共同作用,使F系列样品的抗氧化性能随Sm2O3含量增加而增强。