硬硅钙石基复合相变储能材料的制备及其性能表征

论文摘要

将相变材料同耐腐蚀性好的常规材料复合是高温相变材料的研究方向之一,目前对于高温蓄热材料(>600℃)的研究主要集中在采用无机盐和陶瓷基制备复合制备相变蓄热材料,但都普遍存在着复合材料中相变盐含量过低的缺点。本文创新性地以工业废渣电石渣和硅灰为原料,采用动态水热法制备了超轻硬硅钙石型硅酸钙,并对合成产物的微观结构和形貌、孔结构参数进行了考察,并探讨了其作为复合相变储能材料基体的可能性和优势。结果表明:含有微量杂质的工业废渣原料对合成的硬硅钙石晶体及微观形貌基本上没有影响,不必因杂质的存在而对水热合成工艺参数做特殊调整,且采用抽滤法制备的硬硅钙石基体的成型方法简单、基体形状可调,实验中制备出圆柱状、球状的基体材料。以无水硫酸钠、氯化钾、氯化钠作为相变材料,硬硅钙石作为基体材料,通过熔融浸渗法制备了浸渗率达到90%的三种复合储能材料。分析讨论了熔融浸渗法的制备机理,考察了浸渗温度、浸渗时间等影响因素对制备过程的影响,从而最终确定了最优制备条件。利用XRD、SEM等手段分析了相变材料和基体材料的结合情况,结果表明:两相结合紧密,并具有良好的高温化学稳定性,两相仅仅是因浸润结合而形成的机械嵌合作用。利用DSC、热膨胀仪、激光导热仪等手段综合考察了所制备的复合材料的储能性能、导热系数、热膨胀特性以及热循环稳定性等,结果表明:复合储能材料的热物理特性主要是由无机盐的含量和自身的特性决定的,相变潜热和储热密度(ΔT=100℃)、热膨胀系数与相变材料的质量百分含量(即浸渗率)成正比;三种复合储能材料的最大平均热膨胀系数高于一般陶瓷氧化物的热膨胀系数。复合相变储能材料的导热系数、比热容以及热扩散率并没有受到基体材料具有绝热特性的限制,其值均高于一般的显热陶瓷材料的热学性能指标。本研究成功制备出具有高浸渗率,较高使用温度范围的无机盐/硬硅钙石基复合储能材料,制备方法简单、操作容易;同时采用工业废渣作为原料制备了具有良好的环境友好性的超轻硬硅钙石材料,达到了废物利用和环保的目的,也使超轻质硅酸钙材料得到多用途的推广应用;该研究拓展了新型相变储能复合材料制备研究的领域,同时也为推进其更广泛的研发应用奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 我国工业能耗与余热回收的现状与分析
• 1.3 复合相变蓄热储能材料概述
• 1.3.1 相变蓄热的特点
• 1.3.2 陶瓷基复合相变蓄热材料
• 1.3.3 陶瓷基复合相变蓄热材料的制备方法
• 1.3.4 高温相变复合材料的研究进展
• 1.4 蓄热材料在余热回收中的应用
• 1.4.1 显热储能系统
• 1.4.2 相变潜热储能系统
• 1.4.3 热管换热器
• 1.4.4 蓄热室式相变储能系统
• 1.4.5 潜热/显热复合储能系统
• 1.5 超轻硬硅钙石型硅酸钙材料
• 1.6 本课题研究的目的、意义和主要内容
• 1.6.1 本课题研究的目的及意义
• 1.6.2 本课题研究的主要内容
• 第二章 实验原料及测试表征
• 2.1 实验用原材料及化学试剂
• 2.2 使用仪器及设备
• 2.3 实验表征手段
• 2.3.1 X 射线衍射分析（XRD）
• 2.3.2 扫描电镜分析（SEM）
• 2.3.3 差热分析（DSC）
• 2.3.4 压汞法测试
• 2.3.5 显气孔率及容重测试
• 2.3.6 热膨胀系数测试
• 2.3.7 热导率的测试
• 2.3.8 热稳定性能的测试
• 2.3.9 电石渣理化性质分析
• 2.3.10 硅灰理化性质分析
• 2.3.11 复合储能材料浸渗率和相对密度的测试
• 第三章 高气孔率硬硅钙石基体的制备和表征
• 3.1 引言
• 3.2 硬硅钙石作为基体的可行性
• 3.2.1 蜂窝陶瓷基体
• 3.2.2 添加造孔剂制备的多孔陶瓷基体
• 3.2.3 硬硅钙石基体
• 3.3 电石渣和硅灰
• 3.3.1 化学成分
• 3.3.2 XRD 分析
• 3.3.3 SEM 分析
• 3.3.4 电石渣中的微量元素
• 3.3.5 电石渣的放射性
• 3.4 硬硅钙石料浆的制备和表征
• 3.4.1 硬硅钙石料浆的制备
• 3.4.2 不同钙、硅原料对合成硬硅钙石的影响
• 3.4.3 硬硅钙石料浆的成型方法
• 3.4.4 孔径大小和分布
• 3.4.5 体积密度和显气孔率
• 3.5 本章小结
• 第四章 无机盐/硬硅钙石复合储能材料的制备与表征
• 4.1 引言
• 4.2 相变材料的选择
• 4.3 复合储能材料的制备工艺过程
• 4.4 熔融浸渗工艺主要影响因素
• 4.4.1 浸渗方式
• 4.4.2 浸渗温度和浸渗时间的影响
• 4.4.3 基体材料的孔径分布
• 4.5 复合储能材料的物相分析和微观形貌
• 4.5.1 XRD 分析
• 4.5.2 SEM 分析
• 4.6 制备工艺评价
• 4.7 本章小结
• 第五章 复合相变储能材料的热性能测试及表征
• 5.1 引言
• 5.2 复合储能材料的相变温度及相变潜热和储能密度
• 5.3 复合储能材料的热膨胀性
• 5.4 复合储能材料的比热容、热扩散率和导热系数
• 5.5 复合储能材料的热循环稳定性
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢