用于太阳能储热的粘土结合SiC复相陶瓷结构分析

徐晓虹 李剑 吴建锋 方斌正 刘孟

(武汉理工大学材料科学与工程学院,武汉：430070)

用于太阳能储热的粘土结合SiC复相陶瓷结构分析

徐晓虹 李剑 吴建锋 方斌正 刘孟

(武汉理工大学材料科学与工程学院,武汉：430070)

采用SiC粉、高岭土、苏州土为主要原料制备了太阳能储热用粘土结合SiC复相陶瓷。对烧结样品进行了XRD、SEM、EPMA测试分析，同时测试了样品的抗弯强度和热导率。研究结果表明，在1 400℃烧结温度下保温2 h获得了性能优良的粘土结合SiC复相陶瓷样品，主晶相由SiC、莫来石、刚玉和方石英组成，其抗弯强度为65.5 MPa，热导率为8.9W/(m·K)，该复相陶瓷具有优良的抗热震性能，有望应用于太阳能热发电中的储热材料。

太阳能储热，碳化硅，高岭土，复相陶瓷，结构与性能

1 前言

能源是国民经济发展的基础。以矿物燃料为主的传统能源结构，不仅受到地球资源的限制，而且对地球环境造成严重的污染，因此，新能源成为今后全球能源发展的重要方向。目前，太阳能、风能、氢能都是非常重要的新能源，太阳能热发电作为一种清洁无污染的新能源利用方式，已经引起全世界科研工作者的广泛关注[1]。20世纪90年代以来，美国、欧盟都制定了太阳能热发电计划，以积极推动其商业化进程，预计2020年前后，太阳能热发电将在发达国家实现商业化。我国中科院电工研究所等单位也在进行太阳能热发电的研究。太阳能热发电优于光伏发电的一个重要特点是能采用相对经济的储热技术(TES)，储电则非常昂贵[2]，因此，储热材料成为太阳能热发电成功走向市场的一个关键因素。SiC作为一种高温结构材料，具有高熔点、高硬度、化学稳定性好、高热导率、抗热震性能好、高温强度高等一系列优异性能[3]，成为重要的太阳能热发电候选储热材料。但是，SiC的烧结非常困难，必须采取特殊的烧结工艺及特殊的添加剂，制备成本很高。为了降低制备成本，在满足太阳能热发电应用要求的前提下，本研究制备了低成本的粘土结合SiC复相陶瓷，并试图将之用作太阳能热发电中的储热材料。

2 实验

以SiC粉（山东临沫）、高岭土（江西星子）、苏州土为初始原料，所有原料均过200目筛备用。SiC质复相陶瓷组成质量分数如下：SiC粉70%,高岭土15%,苏州土10%，熔剂5%，原料及配方样品的化学组成见表1。将粉料混合均匀后加入聚乙烯醇(PVA)造粒，利用液压机压制成型，将成型样品干燥后放入电炉中高温烧结，在1400℃下保温2 h得到SiC质复相陶瓷。

用Instron-5566型万能实验机进行强度测试，采用日本产的D/max-RB型X-ray仪分析样品的相组成，采用日本产的JSM-5610LV型扫描电镜分析样品的显微结构，用日本产的JXA-8800R电子探针仪对样品进行微区分析，用TC-7000H型激光热常数仪测试样品的热导率。

表1 原料及样品的化学组成Tab.1 Chemical compositions of raw materials and samples

3 结果与讨论

3.1 S i C质复相陶瓷的相组成分析

图1为在1400℃下保温2 h所获得SiC质复相陶瓷样品的XRD图谱。从图1中可以看出，SiC质复相陶瓷的主晶相为SiC，次晶相为莫来石、刚玉和方石英，石英相的出现是由于高岭土及苏州土的引入及高温下少量SiC的氧化反应生成的，莫来石是由高岭土及苏州土中的铝、硅氧化物在高温下生成。根据Al2O3-SiO2相图可知，铝、硅氧化物在 1250～1280℃会出现液相，从而生成莫来石[4]，莫来石是Al2O3-SiO2二元体系中唯一稳定的化合物，由于莫来石线膨胀系数低，因此抗热震性能很好[5]。另外由于莫来石中硅铝离子扩散困难，晶格位错滑移阻力大，使其具备了优良的高温抗蠕变性能，且高温变形小，因此莫来石的生成有助于改善样品的高温性能[6]。

3.2 S i C质复相陶瓷的显微结构分析

图2为在1400℃下保温2 h所获得SiC质复相陶瓷样品的SEM图谱。从图2(a)中可以看出，SiC复相陶瓷比较致密，少量气孔均匀分布其中，从图2(b)中可以看到很多柱状的莫来石晶粒，莫来石的化学计量组成在富硅区域时莫来石晶粒为柱状，随着化学组成向富铝变化，莫来石晶粒变为等轴状，富硅的莫来石陶瓷其高温力学性能明显优于室温力学性能，这一现象在结构陶瓷中很少见。其原因可能是高温下呈黏滞状态的玻璃相对裂纹尖端有明显的钝化作用[7]，这也是该复相陶瓷有优良高温性能的原因。

3.3 S i C质复相陶瓷的电子探针E P MA分析

表 2“1”、“2”、“3”点的化学成分Tab.2 Chemical compositions of the samples at Position 1,2 and 3

图3～图5为在1400℃下保温2 h所获得SiC质复相陶瓷样品的EPMA照片。从图3(a)中可以看出制品中有明显的液相，这些液相将SiC颗粒包裹在其中，液相的出现使烧结过程中传质速度加快，因此材料能在较低温度下烧结。图3为样品元素指定点扫描图。从图3(b)可知，“1”点检测到的元素有Si和Fe，Fe的出现是由于初始原料高岭土和苏州土中含有少量Fe而引入；从图3(b)可以看出“2”点检测到的元素有Si和C，可以推断“2”点的成分为SiC；从图3(c)可以看出“3”点检测到的元素有Si、Al和O，结合XRD分析结果可以推断“3”点的成分为莫来石，且为富Si的莫来石，这与SEM中出现柱状莫来石一致。表2为“1”、“2”、“3”的化学成分，与上述分析一致。图 4 为样品指定部位元素面分布图。从图中可以看出样品中主要元素C、Al、Si、O分布其中，其间还有少量的Na、K、Mg、Ti、Ca、Fe。图 5 为样品二次电子像及元素线扫描图。从图中可见Si、C、Al出现高峰、而Na、K、Ca、Ti、Fe均布，表明有 SiC、莫来石等晶体生成，与面扫描及XRD分析一致。

3.4 SiC质复相陶瓷在太阳能热发电中的应用前景分析

太阳能热发电对储热材料的要求非常高[8]，首先是高温要求，由于塔式太阳能热发电站塔顶的温度超过1000℃[9]，所以要求材料能在高温下正常工作不损坏，该SiC质复相陶瓷材料可以在1200℃的高温下正常工作不损坏，可以满足要求。第二要求材料有好的抗热冲击性能，该复相陶瓷可以从1000℃到室温连续50次不损坏，具有优良的抗热震性能，也满足要求。第三要求材料有高的热导率，这样可以方便热量的存入与取出，同时可以防止材料由于局部温度过高而造成损坏，该复相陶瓷的热导率达8.9W/(m·K)，显著高于一般的陶瓷材料，因此同样满足要求。第四要求材料具有较高的强度，该复相陶瓷抗弯强度达65.5 MPa，完全可以满足要求。因此，该碳化硅质复相陶瓷材料是应用于太阳能热发电的理想储热材料，在太阳能热发电领域有很好的应用前景。

4 结论

（1）利用SiC粉、高岭土和苏州土为主要原料在1400℃下保温2 h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。

（2）XRD、SEM及 EPMA结果表明该复相陶瓷主晶相由SiC、莫来石、刚玉和方石英组成，从SEM照片可以看到棒状的莫来石生成，莫来石的出现可以提高制品的高温性能。

（3）该复相陶瓷适合高温使用，具有优良的抗热震性能，热导率为8.9W/(m·K)，抗弯强度达 65.5MPa，可以满足太阳能热发电储热材料的需要。

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 左远志,丁静,杨晓西.中温相变蓄热材料研究进展.现代化工,2005,25(12):15～19

3 蔡作乾,王琏,杨根.陶瓷材料辞典.北京:化学工业出版社,2002

4 刘岩,黄政仁,董绍明等.碳化硅泡沫陶瓷浆料成分与烧结性能.无机材料学报,2005,20(2):305～309

5 李世普.特种陶瓷工艺学.武汉:武汉理工大学出版社,1990

6 司全京,张效峰.莫来石结合SiC制品的研制.耐火材料,2004,33(2):90～92

7 江东亮,李龙土,欧阳世翕等.中国材料工程大典.北京:化学工业出版社,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项目(编号:2008AA05Z418)

吴建锋，E-mail:wujf@whut.edu.cn

Wu Jianfeng,E-mail:wujf@whut.edu.cn