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中高温太阳能选择性吸收涂层的制备与研究

作　者: 马涛
导　师: 叶卫平；程旭东
学　校: 武汉理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 等离子喷涂黑铬溶胶-凝胶法 Cu1.5Mn1.5O4 太阳能
分类号: TG174.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

太阳能选择性吸收涂层是太阳能集热器上最为关键的部分,直接制约着太阳能集热器的效率。受材料、结构、加工方法的影响,大多数涂层都只能应用于中低温环境,部分还只能应用于真空环境。目前,多采用磁控溅射工艺制备耐高温的金属陶瓷、多层渐变膜,这类涂层虽然能够应用于非真空高温环境,但是加工成本较高。等离子喷涂工艺及溶胶-凝胶法是常用的涂层制备方法,加工工艺简单,成本低廉,可以实现规模化生产。但是将这两种方法直接应用于制备太阳能选择性吸收涂层却鲜有报道,本文将分别采用这两种方法制备太阳能选择性吸收涂层。本次实验以Cr2O3、Al2O3和SiO2为主要原料,采用喷雾干燥法制成球形团聚粉末,获得流动性好的喷涂用粉。采用等离子喷涂工艺,在不锈钢基体上制备了黑铬太阳能选择性吸收涂层。涂层具备较高的发射率,通过减小表面粗糙度及制备SnO2选择性透过膜的方法将涂层的发射率降低至0.5,使涂层具备了一定的选择性吸收性能。XRD分析表明,涂层相成分在喷涂及热震前后未发生变化,同时,涂层在600℃循环热震试验后,没有产生脱落现象。这表明涂层具备良好的高温稳定性。本次试验还以Mn(CH3COO)2、乙醇为原料,通过溶胶-凝胶法制备了Cu1.5Mn1.5O4尖晶石结构太阳能选择性吸收涂层。干凝胶的TG-DSC分析结果表明,450℃时开始形成Cu1.5Mn1.5O4相.。XRD分析结果表明,500℃下退火1h后制备的前驱体粉末以Cu1.5Mn1.5O4为主要成分,并含有少量的CuO, Mn2O3。向溶胶中添加羟丙基纤维素后,溶胶的成膜性能得到提高。烧结过程中,控制升温速率为1℃/min,制备的涂层晶粒排列紧密、粒度平均,涂层表面没有产生明显缺陷。以20mm/min提拉速度提拉2次后制备的涂层厚度约1μm,吸收率0.88,发射率0.05。将涂层在500℃下保温1～30h后,涂层中的原有的少量CuO、Mn2O3转化为Cu1.5Mn1.5O4,涂层的吸收率及发射率均略微上升,吸收率最高至0.91,发射率至0.09,性能未发生衰减。SEM分析结果表明,在保温过程中,涂层中晶粒未发生长大现象,未产生裂纹,更未发生剥落,热稳定性能良好。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-25
  1.1 太阳能概况  10-14
    1.1.1 太阳能的利用形式  11-12
    1.1.2 太阳能的热发电系统  12-14
  1.2 太阳能选择性吸收的理论基础  14-18
    1.2.1 吸收率(α)与发射率(ε)的定义  15-17
    1.2.2 太阳能选择性吸收涂层的常见类型  17-18
  1.3 太阳能选择性吸收涂层  18-23
    1.3.1 太阳能选择性吸收涂层的制备工艺及常用材料  19-20
    1.3.2 热喷涂法制备太阳能选择性吸收涂层  20-21
    1.3.3 尖晶石太阳能选择性吸收涂层的研究现状  21-23
  1.4 研究的目的及内容  23-25
    1.4.1 研究的目的  23
    1.4.2 研究的意义  23
    1.4.3 研究方案设计  23-25
第2章等离子喷涂制备黑铬太阳能选择性吸收涂层  25-38
  2.1 涂层结构设计  25-26
  2.2 团聚粉末制备  26-28
    2.2.1 实验成分设计及实验试剂  26-27
    2.2.2 实验设备  27
    2.2.3 实验步骤  27-28
    2.2.4 团聚粉末流动性测试  28
  2.3 太阳能选择性吸涂层的制备  28-30
    2.3.1 实验设备  29
    2.3.2 喷涂工艺参数的选择  29
    2.3.3 溶胶的制备  29-30
    2.3.4 实验步骤  30
  2.4 涂层的结构及性能分析  30-37
    2.4.1 涂层的扫描电镜分析  31-33
    2.4.2 涂层的X射线衍射分析  33-34
    2.4.3 涂层的太阳能选择性吸收性能  34-35
    2.4.4 复合涂层的太阳能选择性吸收性能  35-36
    2.4.5 涂层的抗热震性能分析  36-37
  2.5 本章小结  37-38
第3章溶胶凝胶法制备太阳能选择性吸收涂层  38-63
  3.1 溶胶的制备  38-39
    3.1.1 实验设备  38-39
    3.1.2 实验原料  39
    3.1.3 溶胶的制备过程  39
    3.1.4 干凝胶与前驱体粉末的制备  39
  3.2 基片的前处理  39-41
    3.2.1 不锈钢基片的除油及活化  40-41
    3.2.2 玻璃基片的前处理  41
  3.3 太阳能选择性吸收涂层的制备  41-42
    3.3.1 实验设备  41-42
    3.3.2 实验步骤  42
  3.4 实验结果及分析  42-61
    3.4.1 基片预处理对其性能的影响  43-46
    3.4.2 羟丙基纤维素添加量对成膜性能的影响  46-48
    3.4.3 升温速率对涂层品质的影响  48
    3.4.4 溶胶浓度对涂层品质的影响  48-49
    3.4.5 提拉速度对涂层品质的影响  49-50
    3.4.6 前驱体粉末TG-DSC分析  50-51
    3.4.7 前驱体粉末X射线衍射分析  51-52
    3.4.8 涂层的太阳能选择性吸收性能  52-55
    3.4.9 涂层的表面形貌  55-57
    3.4.10 涂层的高温稳定性  57-60
    3.4.11 涂层的抗热震性能测试  60
    3.4.12 涂层的耐盐雾腐蚀性能  60-61
  3.5 本章小结  61-63
第4章结论  63-65
参考文献  65-68
附录攻读硕士期间发表的论文  68-69
致谢  69

中高温太阳能选择性吸收涂层的制备与研究

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