高熱導(dǎo)率紅柱石/碳化硅復(fù)相儲熱陶瓷及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了高熱導(dǎo)率紅柱石/碳化硅復(fù)相儲熱陶瓷及其制備方法，制備過程：坯料由紅柱石、鋁礬土、高嶺土、滑石、碳化硅組成，將紅柱石、鋁礬土、高嶺土、滑石分別球磨、過篩、混合均勻后加入碳化硅繼續(xù)球磨，造粒，陳腐制得坯料備用；取坯料裝入成型模具中制得坯體；干燥后的樣品采用石墨粉包裹進(jìn)行埋燒制得紅柱石/碳化硅復(fù)相儲熱陶瓷；其中最高燒結(jié)溫度為1540℃。本發(fā)明制備的儲熱陶瓷不僅具熱導(dǎo)率大、耐高溫、抗氧化和抗折強度高等優(yōu)良性能，而且制造成本低廉。本發(fā)明能確保儲熱系統(tǒng)的安全可靠性；能夠提高儲熱系統(tǒng)的儲熱效率和儲熱密度，延長儲熱系統(tǒng)的使用壽命、使儲熱放熱過程穩(wěn)定高效的進(jìn)行。
【專利說明】
高熱導(dǎo)率紅柱石/碳化硅復(fù)相儲熱陶瓷及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及陶瓷技術(shù)領(lǐng)域，具體是高熱導(dǎo)率紅柱石/碳化硅復(fù)相儲熱陶瓷及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽能是一種清潔、高效和永不衰竭的新能源，具有無污染、取用方便的特點，但到達(dá)地球表面的太陽輻射，能量密度卻很低，而且受地理、晝夜和季節(jié)等規(guī)律性變化的影響，以及陰云雨等隨機因素的制約，其輻射強度也不斷發(fā)生變化，具有顯著的稀薄性、間斷性和不穩(wěn)定性。在太陽熱能發(fā)電系統(tǒng)中，太陽能集熱器把收集到的太陽輻射能發(fā)送至接收器產(chǎn)生熱空氣或熱蒸汽，用傳統(tǒng)的電力循環(huán)來產(chǎn)生電能，為了保持供電裝置穩(wěn)定不間斷地運行，就需要儲熱裝置把太陽能儲存起來，在太陽能不足時再釋放出來，從而滿足生產(chǎn)和生活用能連續(xù)和穩(wěn)定供應(yīng)的需要，所以太陽能高溫儲熱裝置是太陽能熱發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)，它對于提高系統(tǒng)發(fā)電效率、提高系統(tǒng)發(fā)電穩(wěn)定性和可靠性具有重要意義。
[0003]目前應(yīng)用于太陽能熱發(fā)電的儲熱材料有水、導(dǎo)熱油、耐高溫混凝土和熔融鹽等。水作為儲熱材料儲能密度不大，水和導(dǎo)熱油在高溫下蒸汽壓很大，使用時需要特殊的壓力閥等設(shè)備，導(dǎo)熱油還容易引發(fā)火災(zāi)，而且價格較貴;耐高溫混凝土作為儲熱材料，對其內(nèi)部換熱管道要求很高，其成本占整個儲熱系統(tǒng)成本的45%_55%;熔鹽普遍存在導(dǎo)熱系數(shù)小，儲能密度低及工作溫度低等缺陷，從而導(dǎo)致儲能系統(tǒng)較為龐大及太陽能熱發(fā)電的蒸汽參數(shù)較低。與上述儲熱材料相比，鋁基合金儲熱材料具有儲熱密度大、熱循環(huán)穩(wěn)定性好、導(dǎo)熱系數(shù)高、性價比良好、不易燃、無毒等優(yōu)點，在高溫相變儲熱(>400 °C )應(yīng)用中具有較大的優(yōu)勢，但是鋁基合金儲熱材料在液態(tài)時具有強烈的腐蝕性，并且在長期的吸、放熱循環(huán)過程中，儲熱材料與儲熱容器材料間可能會發(fā)生多種電化學(xué)反應(yīng)及物理反應(yīng)，明顯腐蝕儲熱容器材料，或改變儲熱材料的熱物性。此外，相變材料在相變過程往往伴有體積的變化，所以恰當(dāng)?shù)倪x擇儲熱容器材料非常重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供熱導(dǎo)率大、耐高溫、抗氧化和抗折強度高而且制造成本低廉的高熱導(dǎo)率紅柱石/碳化硅復(fù)相儲熱陶瓷及其制備方法，以解決上述【背景技術(shù)】中提出的問題。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
高熱導(dǎo)率紅柱石/碳化硅復(fù)相儲熱陶瓷的制備方法，包括以下步驟:
I)坯料制備:①坯料由紅柱石、鋁礬土、高嶺土、滑石、碳化硅組成，其中紅柱石、鋁礬土、高嶺土按重量百分比為:紅柱石55-60%、鋁礬土 25-30%、高嶺土 10-15%，滑石為紅柱石、鋁礬土、高嶺土三者總質(zhì)量的8-15%，碳化硅為紅柱石、鋁礬土、高嶺土三者總質(zhì)量的15-25%;②將紅柱石、鋁礬土、高嶺土、滑石分別球磨24h~36h，過325?500目篩，得到紅柱石粉、鋁礬土粉、高嶺土粉和滑石粉，將紅柱石粉、鋁礬土粉、高嶺土粉和滑石粉混合均勻后加入碳化硅繼續(xù)球磨，造粒，陳腐制得坯料備用；
2)成型:取坯料裝入成型模具中，成型壓力50-70kN，保壓時間12-lSs，制得坯體；
3)干燥:將坯體放入干燥箱中干燥24-48h，制得樣品；
4)燒成方法:采用石墨粉包裹樣品進(jìn)行埋燒制得紅柱石/碳化硅復(fù)相儲熱陶瓷;燒成溫度:從室溫升溫至1000°C的升溫速率為4-6°C/min，溫度高于1000°C時升溫速率為2-4°C/min，升至最高燒結(jié)溫度1540 V ；保溫時間:100 °C、300 V、500 V、700 V、900 V各保溫20-40min,1000°C、1100。。、1200 °C、1300。。、1400°C 和 1500°C 各保溫50_70min，最高燒結(jié)溫度1540°(:時保溫170-19011^11。
[0006]作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案:所述的紅柱石中按照質(zhì)量百分比的化學(xué)成分為:氧化硅40?48.5%，氧化鋁50?58.5%，氧化鐵I ~5%及小于2%的鉀、鈉、鈣和鎂。
[0007 ] 作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案:所述碳化硅:粒徑15-20μπι，純度> 99%。
[0008]作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案:步驟2)中成型壓力60kN，保壓時間15s。
[0009]作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案:步驟3)中干燥溫度為100°C。
[0010]作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案:步驟3)中干燥箱采用電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱。
[0011]作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案:步驟4)中從室溫升溫至1000°C的升溫速率為5°C/min，溫度高于1000°C時升溫速率為3°C/min。
[0012]作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案:步驟4)中保溫時間:100 °C、300 V、500 V、700 V、900 V各保溫30min，1000 °C、1100 °C、1200 °C、1300 °C、1400 °C 和 1500 °C 各保溫60min，最高燒結(jié)溫度 1540°C 時保溫 180min。
[0013]本發(fā)明的另一目的是提供根據(jù)上述制備方法制得的紅柱石/碳化硅復(fù)相儲熱陶
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[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明提供一種利用紅柱石和碳化硅制備太陽能熱發(fā)電用高溫儲熱陶瓷的方法，該方法制備的儲熱陶瓷不僅具熱導(dǎo)率大、耐高溫、抗氧化和抗折強度高等優(yōu)良性能，而且制造成本低廉。本發(fā)明能確保儲熱系統(tǒng)的安全可靠性;能夠提高儲熱系統(tǒng)的儲熱效率和儲熱密度，延長儲熱系統(tǒng)的使用壽命、使儲熱放熱過程穩(wěn)定高效的進(jìn)行。
【附圖說明】
[0015]圖1是樣品埋燒方式示意圖；
圖2是本發(fā)明實施例3紅柱石/碳化硅復(fù)相儲熱陶瓷的掃描電鏡照片一；
圖3是本發(fā)明實施例3紅柱石/碳化硅復(fù)相儲熱陶瓷的掃描電鏡照片二；
圖中:1-樣品、2_蓋板、3_匣鉢、4_石墨粉。
【具體實施方式】
[0016]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0017]實施例1 本發(fā)明實施例中，高熱導(dǎo)率紅柱石/碳化硅復(fù)相儲熱陶瓷的制備方法，包括以下步驟:
1)坯料制備:①坯料由紅柱石、鋁礬土、高嶺土、滑石、碳化硅組成，其中紅柱石、鋁礬土、高嶺土按重量百分比為:紅柱石55%、鋁礬土 30%、高嶺土 15%，滑石為紅柱石、鋁礬土、高嶺土三者總質(zhì)量的8%，碳化娃為紅柱石、招鞏土、高嶺土三者總質(zhì)量的15%;②將紅柱石、招礬土、高嶺土、滑石分別球磨24h，過325目篩，得到紅柱石粉、鋁礬土粉、高嶺土粉和滑石粉，將紅柱石粉、鋁礬土粉、高嶺土粉和滑石粉混合均勻后加入碳化硅繼續(xù)球磨，造粒，陳腐制得坯料備用。所述的紅柱石中按照質(zhì)量百分比的化學(xué)成分為:氧化硅40?48.5%，氧化鋁50?58.5%，氧化鐵I?5%及小于2%的鉀、鈉、鈣和鎂。所述碳化硅:粒徑15-20μπι，純度> 99% ；
2)成型:取60g坯料裝入直徑為5cm的圓片形模具，成型壓力50kN，保壓時間12s，制得圓片狀坯體；
3)干燥:將坯體放入電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱中干燥24h，干燥溫度為100°C，制得樣品I;
4)燒成方法:采用石墨粉4包裹樣品I進(jìn)行埋燒制得紅柱石/碳化硅復(fù)相儲熱陶瓷，在埋燒的匣缽3上蓋上蓋板2，讓其不完全燃燒產(chǎn)生CO，制造還原氣氛防止樣品I在燒結(jié)過程中被氧化。具體埋燒方式見圖1。燒成溫度:從室溫升溫至1000°C的升溫速率為4°C/min，溫度高于1000°(:時升溫速率為2°(:/1^11，升至最高燒結(jié)溫度1540°(:;保溫時間:100°(:、300°(:、500°C、700°C、900°C各保溫20min，1000°C、IlOOcC、1200°C、1300°C、1400°C和 1500°C各保溫50min，最高燒結(jié)溫度1540°C時保溫170min。
[0018]實施例1制得的紅柱石/碳化硅復(fù)相儲熱陶瓷經(jīng)檢測，其吸水率氣孔率10.05%，體積密度2.43g.cm—3，燒結(jié)收縮率3.31%，抗折強度35.2310^，熱導(dǎo)率4.601.(m.K)—1，經(jīng)30次熱震循環(huán)試驗(室溫?1000°C )后抗折強度84.15MPa，強度值提高了 138.86%。
[0019]實施例2
本發(fā)明實施例中，高熱導(dǎo)率紅柱石/碳化硅復(fù)相儲熱陶瓷的制備方法，包括以下步驟:
1)坯料制備:①坯料由紅柱石、鋁礬土、高嶺土、滑石、碳化硅組成，其中紅柱石、鋁礬土、高嶺土按重量百分比為:紅柱石60%、鋁礬土 25%、高嶺土 15%，滑石為紅柱石、鋁礬土、高嶺土三者總質(zhì)量的15%，碳化硅為紅柱石、鋁礬土、高嶺土三者總質(zhì)量的25%;②將紅柱石、鋁礬土、高嶺土、滑石分別球磨36h，過500目篩，得到紅柱石粉、鋁礬土粉、高嶺土粉和滑石粉，將紅柱石粉、鋁礬土粉、高嶺土粉和滑石粉混合均勻后加入碳化硅繼續(xù)球磨，造粒，陳腐制得坯料備用。所述的紅柱石中按照質(zhì)量百分比的化學(xué)成分為:氧化硅40?48.5%，氧化鋁50?58.5%，氧化鐵I?5%及小于2%的鉀、鈉、鈣和鎂。所述碳化硅:粒徑15-20μπι，純度> 99% ；
2)成型:取60g坯料裝入直徑為5cm的圓片形模具，成型壓力70kN，保壓時間18s，制得圓片狀坯體；
3)干燥:將坯體放入電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱中干燥48h，干燥溫度為100°C，制得樣品I;
4)燒成方法:采用石墨粉4包裹樣品I進(jìn)行埋燒制得紅柱石/碳化硅復(fù)相儲熱陶瓷，在埋燒的匣缽3上蓋上蓋板2，讓其不完全燃燒產(chǎn)生CO，制造還原氣氛防止樣品I在燒結(jié)過程中被氧化。具體埋燒方式見圖1。燒成溫度:從室溫升溫至1000°C的升溫速率為6°C/min，溫度高于1000°(:時升溫速率為4°(:/1^11，升至最高燒結(jié)溫度1540°(:;保溫時間:100°(:、300°(:、500°C、700°C、900°C各保溫40min，1000°C、IlOOcC、1200°C、1300°C、1400°C和 1500°C各保溫70min，最高燒結(jié)溫度1540°C時保溫190min;
實施例2制得的紅柱石/碳化硅復(fù)相儲熱陶瓷經(jīng)檢測，其吸水率氣孔率10.16%，體積密度2.45g.cm—3，燒結(jié)收縮率3.32%，抗折強度35.5610^，熱導(dǎo)率4.60胃.(m.K)—S經(jīng)30次熱震循環(huán)試驗(室溫?1000°C )后抗折強度85.24MPa，強度值提高了 139.71%。
[0020]實施例3
本發(fā)明實施例中，高熱導(dǎo)率紅柱石/碳化硅復(fù)相儲熱陶瓷的制備方法，包括以下步驟:
1)坯料制備:①坯料由紅柱石、鋁礬土、高嶺土、滑石、碳化硅組成，其中紅柱石、鋁礬土、尚嶺土按重量百分比為:紅柱石58%、招鞏土28%、尚嶺土 14%，滑石為紅柱石、招鞏土、尚嶺土三者總質(zhì)量的12%，碳化硅為紅柱石、鋁礬土、高嶺土三者總質(zhì)量的20%;②將紅柱石、鋁礬土、高嶺土、滑石分別球磨28h，過500目篩，得到紅柱石粉、鋁礬土粉、高嶺土粉和滑石粉，將紅柱石粉、鋁礬土粉、高嶺土粉和滑石粉混合均勻后加入碳化硅繼續(xù)球磨，造粒，陳腐制得坯料備用。所述的紅柱石中按照質(zhì)量百分比的化學(xué)成分為:氧化硅40?48.5%，氧化鋁50?58.5%，氧化鐵I?5%及小于2%的鉀、鈉、鈣和鎂。所述碳化硅:粒徑15-20μπι，純度> 99% ；
2)成型:取60g坯料裝入直徑為5cm的圓片形模具，成型壓力60kN，保壓時間15s，制得圓片狀坯體；
3)干燥:將坯體放入電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱中干燥36h，干燥溫度為100°C，制得樣品I;
4)燒成方法:采用石墨粉4包裹樣品I進(jìn)行埋燒制得紅柱石/碳化硅復(fù)相儲熱陶瓷，在埋燒的匣缽3上蓋上蓋板2，讓其不完全燃燒產(chǎn)生CO，制造還原氣氛防止樣品I在燒結(jié)過程中被氧化。具體埋燒方式見圖1。燒成溫度:從室溫升溫至1000°C的升溫速率為5°C/min，溫度高于1000°(:時升溫速率為3°(:/1^11，升至最高燒結(jié)溫度1540°(:;保溫時間:100°(:、300°(:、500°C、700°C、900°C各保溫30min，1000°C、IlOOcC、1200°C、1300°C、1400°C和 1500°C各保溫60min，最高燒結(jié)溫度1540°C時保溫180min。
[0021]實施例3制得的紅柱石/碳化硅復(fù)相儲熱陶瓷的掃描電鏡照片如圖2-3所示。經(jīng)檢測，其吸水率氣孔率10.51%，體積密度2.47g.cm—3，燒結(jié)收縮率3.34%，抗折強度36.46MPa，熱導(dǎo)率4.60W.(m.K)—I經(jīng)30次熱震循環(huán)試驗(室溫?10(TC)后抗折強度86.36MPa，強度值提高了 136.86%。
[0022]對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點來看，均應(yīng)將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。
[0023]此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個整體，各實施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實施方式。
【主權(quán)項】
1.高熱導(dǎo)率紅柱石/碳化硅復(fù)相儲熱陶瓷的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)坯料制備:①坯料由紅柱石、鋁礬土、高嶺土、滑石、碳化硅組成，其中紅柱石、鋁礬土、高嶺土按重量百分比為:紅柱石55-60%、鋁礬土 25-30%、高嶺土 10-15%，滑石為紅柱石、鋁礬土、高嶺土三者總質(zhì)量的8-15%，碳化硅為紅柱石、鋁礬土、高嶺土三者總質(zhì)量的15-25%;②將紅柱石、鋁礬土、高嶺土、滑石分別球磨24h~36h，過325?500目篩，得到紅柱石粉、鋁礬土粉、高嶺土粉和滑石粉，將紅柱石粉、鋁礬土粉、高嶺土粉和滑石粉混合均勻后加入碳化硅繼續(xù)球磨，造粒，陳腐制得坯料備用； 2)成型:取坯料裝入成型模具中，成型壓力50-70kN，保壓時間12-lSs，制得坯體； 3)干燥:將坯體放入干燥箱中干燥24-48h，制得樣品； 4)燒成方法:采用石墨粉包裹樣品進(jìn)行埋燒制得紅柱石/碳化硅復(fù)相儲熱陶瓷;燒成溫度:從室溫升溫至1000°C的升溫速率為4-6°C/min，溫度高于1000°C時升溫速率為2-4°C/min，升至最高燒結(jié)溫度1540 V ；保溫時間:100 °C、300 V、500 V、700 V、900 V各保溫20-40min,1000°C、1100。。、1200 °C、1300。。、1400°C 和 1500°C 各保溫50_70min，最高燒結(jié)溫度1540°(:時保溫170-19011^11。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高熱導(dǎo)率紅柱石/碳化硅復(fù)相儲熱陶瓷的制備方法，其特征在于，所述的紅柱石中按照質(zhì)量百分比的化學(xué)成分為:氧化娃40?48.5%，氧化招50?58.5%，氧化鐵1~5%及小于2%的鉀、鈉、鈣和鎂。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高熱導(dǎo)率紅柱石/碳化硅復(fù)相儲熱陶瓷的制備方法，其特征在于，所述碳化娃:粒徑15-20μηι，純度> 99%。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高熱導(dǎo)率紅柱石/碳化硅復(fù)相儲熱陶瓷的制備方法，其特征在于，步驟2 )中成型壓力60kN，保壓時間15s。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高熱導(dǎo)率紅柱石/碳化硅復(fù)相儲熱陶瓷的制備方法，其特征在于，步驟3 )中干燥溫度為100 °C。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高熱導(dǎo)率紅柱石/碳化硅復(fù)相儲熱陶瓷的制備方法，其特征在于，步驟3)中干燥箱采用電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高熱導(dǎo)率紅柱石/碳化硅復(fù)相儲熱陶瓷的制備方法，其特征在于，步驟4)中從室溫升溫至1000°C的升溫速率為5 °C/min，溫度高于1000°C時升溫速率為3°C/min ο8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高熱導(dǎo)率紅柱石/碳化硅復(fù)相儲熱陶瓷的制備方法，其特征在于，步驟4)中保溫時間:100 °C、300 °C、500 °C、700 °C、900 °C 各保溫30min，1000 °C、1100 °C、1200°(:、1300°(:、1400°(:和1500°(:各保溫601^11，最高燒結(jié)溫度1540°(:時保溫1801^11。9.根據(jù)權(quán)利要求1-8任一所述的制備方法制得的紅柱石/碳化硅復(fù)相儲熱陶瓷。
【文檔編號】C04B35/18GK106045486SQ201610396317
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月7日
【發(fā)明人】成昊, 葉芬, 宋謀勝
【申請人】銅仁學(xué)院