论文部分内容阅读
本文综述了复合相变蓄热材料的蓄热性能、组成结构、制备工艺及其应用范围，通过探讨镁橄榄石在无机盐介质中的形成过程，采用原位反应烧结法制备了无机盐/镁橄榄石复合相变蓄热材料，研究了制备工艺参数对复合相变蓄热材料性能的影响，并模拟了材料在相变过程中的温度及热应力分布情况。文章以分析纯MgO、纳米SiO2为原料，探讨了Mg2SiO4在无机盐介质中的形成机理及其晶体长大过程，在此基础上以烧结镁砂、硅微粉为原料，无机盐为相变材料，通过原位反应烧结法制备了无机盐/镁橄榄石复合相变蓄热材料。研究了烧结温度、保温时间、无机盐含量、种类及配比等因素对材料性能的影响，得出了该复合蓄热材料的最佳制备工艺。采用XRD、SEM、TG-DSC等测试技术对制备的复合材料的物相组成、显微结构及蓄热性能进行了表征，通过平板导热仪测定了材料的导热系数，研究了材料在高温使用过程中的荷重软化温度、抗折强度及弹性模量，并通过热循环试验研究了复合相变蓄热材料的热稳定性。最后模拟了材料蓄放热过程中的温度及热应力分布，得出了如下结论：(1)以NaCl-KCl为反应介质，控制MgO/SiO2摩尔比为非化学计量比2:1.3时，700℃即可形成单相Mg2SiO4粉体，Mg2SiO4在无机盐介质中的形成过程由“溶解-沉淀”机制控制，主要经历成核和生长两个阶段，通过控制无机盐含量及种类，可以调节产物的晶粒尺寸和颗粒形貌。(2)以NaCl-KCl混合盐为介质，通过原位反应烧结法可以制备出具有一定强度的镁橄榄石多孔陶瓷基体。多孔陶瓷基体的气孔率随无机盐含量的增大而增大，无机盐含量为40%时，其显气孔率达到65%，耐压强度约为6MPa。(3)以NaCl-KCl混合盐为相变材料，无机盐含量为40%，1000℃下保温5h所制备的复合相变蓄热材料综合性能较优，相变潜热为80.10kJ/kg，蓄热密度达263.19kJ/kg(ΔT=100℃)，导热系数为0.425~0.37W/(m K)(400~800℃)，荷重软化开始温度达1145℃，高温弹性模量及高温抗折强度较大，能够满足600~700℃的使用温度。同时，经过多次热循环实验，复合相变蓄热材料的质量损失率较小，物相及显微结构基本无变化，表明所制备的材料热稳定性良好。(4)使用COMSOL Multiphysics4.3a对材料蓄放热过程进行了模拟，无机盐含量越高，材料的导热系数越小，相变潜热越大，导致内部热量传递越慢，温度差别越大，内部热应力也越大。