【摘 要】
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随着太阳能利用、工业余/废热回收和电力移峰填谷等领域的迅速发展,使得高温蓄热材料的使用温度不断提高,对蓄热介质的高温结构与性能要求越发苛刻,目前研究的无机盐、金属及合金等蓄热介质已无法满足使用要求。硅酸盐玻璃固态-液态转变过程的温度较高(大于800℃),同样存在升温吸热/降温释热的特征;且不存在高温挥发或氧化等问题。本文在对比不同种类典型硅酸盐玻璃的组成、结构、特征温度区间蓄热性质等方面的基础上,
【基金项目】
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国家自然科学基金(U20A20239、U21A2057);
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随着太阳能利用、工业余/废热回收和电力移峰填谷等领域的迅速发展,使得高温蓄热材料的使用温度不断提高,对蓄热介质的高温结构与性能要求越发苛刻,目前研究的无机盐、金属及合金等蓄热介质已无法满足使用要求。硅酸盐玻璃固态-液态转变过程的温度较高(大于800℃),同样存在升温吸热/降温释热的特征;且不存在高温挥发或氧化等问题。本文在对比不同种类典型硅酸盐玻璃的组成、结构、特征温度区间蓄热性质等方面的基础上,对硅酸盐玻璃微珠进行表面包覆,采用混合烧结法制备了硅酸盐玻璃基复合蓄热材料,研究了制备工艺参数对复合蓄热材料显微结构、力学性能、导热系数、蓄热性能及热循环稳定性等方面的影响。通过上述研究工作的开展,得到如下结论:(1)考察的四种典型硅酸盐玻璃的化学组成不同,网络结构致密程度不同,导致其在高温下析晶过程表现各异,四种玻璃在800℃-1000℃范围内都有不同程度析晶行为;相比之下,具有高硅低硼组成特征的玻璃在1100℃以上,主要以熔化过程为主,未观察到析晶现象;实验温度范围内(1150-1350℃),四种玻璃的结构变化潜热分布在364.5 J/g-643.70 J/g范围,升温熔化过程吸热量与降温凝固过程放热量差值小于2%;网络结构越致密,玻璃熔化吸收的热量越大。(2)通过无机盐水解对玻璃微珠表面分别包覆氧化铝、氧化锆,在控制溶液p H值、温度等条件下,提高前驱体浓度,有利于微珠表面的氧化物包覆;过高的前驱体浓度,导致大量的氧化物团聚颗粒生成。高温热处理后(1200℃),氧化铝包覆玻璃微珠外形保持良好,未出现包覆层开裂及玻璃熔化导致的泄露,但是玻璃微珠与氧化铝包覆层在高温下反应生成了Na Al Si3O8;玻璃微珠与氧化锆包覆层在高温下未发生反应,但是氧化锆由单斜晶型向四方晶型转变产生的体积效应,导致了氧化锆包覆层的开裂及熔化后微珠的泄露。(3)通过无机盐水解先后对玻璃微珠表面包覆氧化锆、氧化铝,制得了氧化铝-氧化锆复合包覆玻璃微珠。高温热处理后(1200℃),复合包覆玻璃微珠外形保持良好,玻璃微珠与包覆层之间未发生反应,且未发生包覆层开裂及玻璃熔化后导致的泄露。(4)以复合包覆玻璃微珠为蓄热介质、工业氧化铝为基体材料,采用混合烧结法制备了复合蓄热材料。随着玻璃微珠引入量的增加,材料的体积密度下降,耐压强度、导热系数、热震稳定性及蓄热能力等性能呈现增大趋势;但较高含量引入条件下,微珠出现局部聚集,导致材料的耐压强度略有下降。控制复合包覆玻璃微珠的含量为50%,在1100℃制备的复合蓄热材料的综合性能较优,耐压强度为16.8 MPa,热震后残余强度保持率为62.5%,结构变化潜热为226.2 KJ/kg,蓄热密度为392.5 KJ/kg(ΔT=200℃),导热系数为0.37-0.56 W/(m·K)(200-1000℃),经过150次热循环,复合蓄热材料的物相及显微结构未发生变化,潜热变化小于3%。
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