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能源是人类社会生存和发展的物质基础,在现有的能源结构中,热能是最重要的能源之一。但是大多数能源都存在问断性和不稳定性的特点,在许多情况下人们还不能合理有效地利用能源。热能存储技术可以解决热能供给和需求之间的矛盾,是提高能源利用效率和保护环境的有效手段。利用固液之间的相变来蓄热具有储能密度大、蓄放热过程近似恒温的优点,因此倍受研究者的关注。
目前采用无机盐和陶瓷复合制备相变蓄热材料的研究已有不少,但都存在复合材料中相变盐含量过低的缺点,本文采用莫来石纤维制备出了高孔隙的多孔陶瓷,创新性地把其作为基体,并采用熔盐自发浸渗工艺制备了具有较高使用温度范围的无机盐陶瓷复合材料,本法具有设备简单,操作容易的优点,所制备的材料在发生固液相变时可以保持原来的形状而不导致熔盐的流失,在蓄放热过程中可以与相容性流体直接接触换热,大大提高了换热效率,本文从相图理论和热力学出发,对硫酸钠和硫酸钾作为相变材料、莫来石作为复合相变材料的基体的的可行性进行了计算分析,揭示了硫酸钠和硫酸钾混合盐可以形成从800℃~1069℃之间的一系列相变材料,从理论上确定了硫酸盐和莫来石制备相变复合材料的使用温度及使用气氛。
对熔融浸渗过程从热力学、静力学和动力学的角度进行了理论分析,剖析了自发浸渗应该满足的热力学和静力学条件,从理论上揭示了熔融硫酸盐浸渗入纤维多孔陶瓷基体的条件及影响因素。在理论研究的基础上,通过实验,以多晶莫来石纤维为原材料,配以一定的液体粘结剂,采用加压排液的方法,成功地制备出显气孔在80~94%之间,具有理想的三维空间网络孔洞结构的多孔陶瓷预制体,并对纤维多孔陶瓷制备过程中的粘结剂迁移现象进行了理论分析,有效地改善了粘结剂的迁移情况。
本文在分析了硫酸钠和莫来石之间高温化学相容性的基础上,进行了白发浸渗合成实验,在浸渗温度900~1000℃之间,浸渗时间30~60分钟范围内,成功制备出了浸渗率(硫酸钠的百分含量)在84%以上,相对密度高达93%的相变储能材料,其相变储能密度高达276KJ/Kg(△T=100℃)以上,超过目前国内外水平。
采用扫描电镜、X衍射、能谱分析等手段对材料的物相组成及显微结构进行了分析表征。通过分析发现,复合储能材料物相分布较好,硫酸钠均匀地充填在莫来石纤维之间所形成的孔隙之中。对复合储能材料的相变潜热、导热系数、热膨胀系数、抗热震性等的测试表征表明所制备的复合材料具有良好的蓄热能力、热膨胀性能和抗热震性,并得出了相变盐对材料的热性能起主导作用的结论。