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太阳能相变储能合金容器材料的选择及性能研究

作　者: 冼焯斌
导　师: 李风
学　校: 广东工业大学
专　业: 材料学
关键词: 碳化硅氮化硅铝硅合金相变储能材料腐蚀与防护
分类号: TB34
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

金属相变储能材料具有储能密度大、热稳定性好、导热系数高、相变时过冷度小和相偏析少等优点,在中高温储能技术应用方面起着重要的作用。Al-Si二元共晶合金作为相变储能材料已在中高温储热方面获得广泛的开发和利用。在太阳能热发电领域,铝硅合金是一种较为理想的中高温相变储能材料。但在使用过程中,熔融的铝硅金属液会对金属容器以冲刷、形成金属间化学物等形式的腐蚀,使金属容器变薄强度下降而最终失效,严重阻碍了相变储能的应用。因此,寻求一种经济实惠且安全耐用的容器材料及涂料方案,是为储能发电的稳定性和安全性提供保证,更为金属相变储能的应用打下坚实的基础。本文选用含硅量12.07%(质量分数)的铝硅合金作为相变储能材料。在495～620℃反复循环条件下,研究灰铁材料、涂敷涂层的灰铁材料、陶瓷材料耐熔融铝硅的腐蚀性能,具体内容如下：研究了灰铁材料在495-620℃高温反复循环条件下耐熔融铝硅合金液腐蚀的性能,研究结果表明：灰铁腐蚀合金层中含有Fe2A15和FeAl3；在组织转变应力和热应力的作用下,Fe2Al5相脆性断裂并溶解,从而导致灰铁的逐渐浸蚀；腐蚀试验进行到600小时以后,灰铁的腐蚀层厚度斜率、单位面积失重斜率渐渐变小,近抛物线；通过能谱分析测试,灰铁试样表面发生铝、硅原子的渗入,随着与铝液的距离增大,Al含量逐渐降低,在基体内部几乎检测不出A1元素。为了减缓熔融铝硅对灰铁基体的腐蚀,自配了4种涂料,通过各种仪器检测涂层性能,检测结果显示：1)经过热震循环实验后,4种涂层方案未出现脱落与起泡的现象,抗热震性良好；2)根据GB/T-9286测得,T3涂层方案附着力达到0级,T1、T2、T4涂层方案附着力达到1级,均达到较好的结合强度；3)通过HotDisk热常数分析仪测得,涂敷涂层后的试样与基体试样热导率相差不大,不影响铝硅储能合金与灰铁基体间的传热性能。将涂敷涂层的灰铁试样进行热循环实验并测试涂层对铝硅合金热稳定性的影响,实验结果表明：1)在灰铁材料表面涂敷涂料涂层之后,腐蚀层厚度明显减薄,腐蚀速率均有下降,其中,T1涂层方案腐蚀层厚度比无涂层时降低了68.55%,T2方案降低了74.12%,T3方案降低了77.05%,T4方案降低了77.23%,T3、T4方案耐腐蚀性最好。2)T1-T4涂层试样的铝硅合金熔化开始温度分别提高了0.67%、0.66%、0.64%、0.61%,熔化潜热降低了9.38%、9.27%、9.14%、9.09%,涂料成分对储热性能的影响是非常有限的。因此,基于灰铁材料成本较低且所研制的涂层易于调配,涂敷T3或T4涂层的灰材料作为盛装太阳能相变储能材料的容器具有一定的可行性。另外,研究了陶瓷材料重结晶碳化硅、氮化硅结合碳化硅在495～620℃高温反复循环条件下耐熔融铝硅合金液腐蚀的性能,研究结果表明：R-SiC腐蚀层厚度比灰铁降低了91.96%, Si3N4-SiC腐蚀层厚度比灰铁降低了92.10%；陶瓷材料表面不与熔融铝液润湿,且不与铝液发生反应,与熔融铝液接触的面积与时间相对其他材料要少,因而耐铝腐蚀效果比涂敷T3、T4涂层的灰铁试样更好。相对R-SiC而言,陶瓷材料Si3N4-SiC作为太阳能相变储能合金容器材料具有一定的成本优势。因此,选用Si3N4-SiC,涂敷T3、T4涂层的灰铁作为容器材料,不仅可以有效地抵抗熔融铝硅的腐蚀,并提高设备的使用寿命,更能进一步推广金属相变储能的应用。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-8
目录  8-11
CONTENTS  11-14
第一章绪论  14-25
  1.1 引言  14-19
    1.1.1 太阳能热发电的发展及现状  14-18
    1.1.2 储能材料的研究与应用  18-19
  1.2 铝硅相变储能材料的腐蚀与防护  19-24
    1.2.1 金属材料耐铝腐蚀的研究与现状  20-22
    1.2.2 陶瓷材料耐铝腐蚀的研究与现状  22-24
  1.3 课题来源与主要研究内容  24-25
第二章试验过程  25-40
  2.1 主要原材料及试验设备  25-26
    2.1.1 主要原材料  25
    2.1.2 主要仪器设备  25-26
  2.2 实验材料与试样准备  26-30
    2.2.1 工作介质的选择  26-27
    2.2.2 基体材料的选择  27-30
  2.3 涂料涂层的制备  30-34
    2.3.1 涂料的设计原则  30-31
    2.3.2 涂料的设计方案  31-32
    2.3.3 涂料试样的制备流程  32-34
  2.4 铝硅合金熔化/凝固热循环试验  34-38
    2.4.1 热循环试验装置的设计  34-36
    2.4.2 实验方案及工艺流程  36
    2.4.3 实验数据处理  36-38
  2.5 分析测试  38-39
    2.5.1 金相显微组织分析  38
    2.5.2 表面形貌分析  38-39
    2.5.3 能谱分析  39
    2.5.4 XRD分析  39
    2.5.5 DSC分析  39
    2.5.6 热导率分析  39
  2.6 本章小结  39-40
第三章灰铁材料耐铝硅腐蚀性能  40-53
  3.1 灰铁耐铝硅腐蚀实验  40-49
    3.1.1 灰铁耐铝腐蚀后宏观形貌  40-42
    3.1.2 灰铁耐铝腐蚀速率  42-44
    3.1.3 灰铁表面腐蚀层物相分析  44-45
    3.1.4 灰铁截面形貌及成分分析  45-49
  3.2 灰铁基体耐铝腐蚀机理  49-52
    3.2.1 腐蚀方式  49-50
    3.2.2 腐蚀层形成过程及规律  50-52
  3.3 本章小结  52-53
第四章灰铁涂敷涂料后的耐铝硅腐蚀性能  53-69
  4.1 涂料性能表征  53-57
    4.1.1 抗热震性  53-54
    4.1.2 结合强度  54-56
    4.1.3 涂层导热系数的测定  56-57
  4.2 灰铁涂敷不同涂料后耐铝硅腐蚀实验  57-63
    4.2.1 灰铁涂料试样腐蚀后宏观形貌  57
    4.2.2 四种涂敷涂料试样腐蚀速率  57-60
    4.2.3 各涂层方案腐蚀后腐蚀层物相分析  60-61
    4.2.4 各涂层方案腐蚀截面形貌分析  61-62
    4.2.5 各涂层方案腐蚀截面能谱分析  62-63
  4.3 涂层耐铝腐蚀机理  63-65
  4.4 涂层对铝硅合金性能的影响  65-68
    4.4.1 金相分析其组织结构  65-66
    4.4.2 DSC差热分析  66-68
  4.5 本章小结  68-69
第五章重结晶碳化硅、氮化硅结合碳化硅耐铝硅腐蚀性能  69-82
  5.1 重结晶碳化硅、氮化硅结合碳化硅耐铝硅腐蚀实验  70-80
    5.1.1 陶瓷试样腐蚀后宏观形貌  70-71
    5.1.2 陶瓷试样腐蚀速率  71-74
    5.1.3 陶瓷试样表面物相分析  74-75
    5.1.4 陶瓷试样表面形貌及成分分析  75-80
  5.2 重结晶碳化硅、氮化硅结合碳化硅耐铝硅腐蚀机制  80-81
  5.3 本章小结  81-82
结论与展望  82-84
参考文献  84-88
攻读硕士学位期间发表的论文  88-90
致谢  90

太阳能相变储能合金容器材料的选择及性能研究

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