储热用陶瓷封装材料在 LiNO3熔盐中的腐蚀特性研究

2016-07-01田鑫俞铁铭郭栋

综合智慧能源 2016年4期

关键词：耐腐蚀性

田鑫，俞铁铭，郭栋

(1.华电电力科学研究院，杭州　310030； 2.杭州华电能源工程有限公司，杭州　310030)

储热用陶瓷封装材料在 LiNO3熔盐中的腐蚀特性研究

田鑫1,2，俞铁铭1,2，郭栋1,2

(1.华电电力科学研究院，杭州310030； 2.杭州华电能源工程有限公司，杭州310030)

摘要：通过直接烧结法制备并研究了储热用Al2O3陶瓷封装材料在熔融LiNO3中的腐蚀过程。X射线衍射分析和扫描式电子显微镜(SEM)分析发现，制备的陶瓷封装材料化学组成稳定，其成分主要为硅酸盐矿物。该封装陶瓷的熔盐浸泡试验表明，随着浸泡时间的延长，陶瓷试样的质量先增加后降低。当浸泡时间为10 h时，其质量增加了2.4%，而当浸泡时间延长至50 h时，其质量在初始质量的基础上减少了1.9%，并于100 h时减少了2.3%。通过SEM形貌分析可知，随着浸泡时间的延长，其表面逐渐被腐蚀。以上结果表明，制备的陶瓷具有较好的热稳定性能，可以作为蓄热熔盐的封装材料。

关键词：储热陶瓷；LiNO3熔盐；耐腐蚀性

0引言

能源是人类赖以生存的基础，但由于能源的供给与需求具有较强的时间性和空间性，在许多能源利用系统中存在着供能和耗能之间的不协调性(失配)，从而造成了能量利用的不合理和大量浪费[1-5]。储热技术，特别是相变储热技术是合理有效利用现有能源、优化使用可再生能源和提高能源利用效率的重要技术，因而成为了近20年来世界节能领域前沿热点研究方向，并在太阳能、工程热物理、航天技术及工业余热回收利用等领域得到了广泛应用[6-10]。

由此，作为相变储热技术的核心，相变材料(PCM)研究成为近年来国内外在能源利用和材料科学方面开发研究十分活跃的领域。在其物相变化过程中，它可以从环境吸收热(冷)能或向环境释放热(冷)能，从而达到储存和释放能量、调节能量需求和供给失配的功能。但相变材料在使用时会发生固态和液态间的相互转化，必须使用专门的容器加以封装，这不但会增加传热介质与相变材料之间的热阻，提高热损耗降低传热效率，而且易发生过冷、相分离、老化和容器腐蚀等问题，特别是高温相变材料，热损耗和容器腐蚀问题极其严重，大大增加了固-液相变材料的使用成本[10-14]。

目前常用的封装材料为金属及其合金化合物，但高温时易氧化、腐蚀，导致设备使用寿命大大降低，增加了蓄热装置的运营成本。而陶瓷材料具有较高的致密性，耐氧化、耐高温[15-18]，因而具备在高温中作为蓄热装置封装材料的潜力。本文通过制备一种陶瓷封装材料并研究其在LiNO3熔盐中的腐蚀过程，以考察其在相变储热技术中的应用前景。

1原材料与试验方法

1.1原材料

本文使用的陶瓷封装材料采用直接烧结法制备。表1列出了本次试验所用的材料。

表1　试验制备所需的化学药品

1.2制备方法

将Al2O3，Na2CO3，CaO，SiO2，B2O3按照一定的质量比进行机械混合，随后在20 MPa的压力下保压1 min成型。成型的试样先于105 ℃条件下干燥24 h，随后于400 ℃下保温2 h，最后直接以10 ℃/min的升温速率至950 ℃烧结1 h。

1.3试验方法

将得到的陶瓷封装材料放入充满LiNO3的坩埚中，在350 ℃的条件下保温一定时间，取出后考察陶瓷性能和结构的变化。

2试验结果及分析

2.1X射线衍射(XRD)分析

由图1为所制备陶瓷封装材料的XRD分析结果，图中对应的晶面间距d值分别为5.287，4.253，3.843，2.456，2.281，1.818，1.542，通过与标准卡片比较，分别对应氧化铝的衍射峰和氧化硅的衍射峰。因此，所制备陶瓷封装材料的主要组分为氧化硅和氧化铝等无机材料，具有较好的耐热性和抗氧化性。

图1　陶瓷封装材料的XRD分析结果

2.2扫描式电子显微镜(SEM)形貌分析

图2为制备好的陶瓷试样的SEM图，由图2可知，所制备的陶瓷结构致密，为形态均匀的非晶结构。

图2　陶瓷空白样的SEM形貌

图3为制备好的陶瓷试样浸泡在LiNO3熔盐中50 h后的SEM图片，陶瓷封装材料表面已出现明显的凹凸不平，表明该样品在50 h时已在LiNO3熔盐中发生腐蚀。

图3　陶瓷浸泡在LiNO3熔盐中50 h后的SEM形貌

图4为制备好的陶瓷试样浸泡在LiNO3熔盐中100 h后的SEM图片，相对于图3，其腐蚀程度进一步加深，已经出现了少量的空隙，有大量颗粒状白色物质产生，该物质为LiNO3晶体，说明其腐蚀过程是LiNO3先通过内部空隙不断深入，然后逐渐腐蚀。

图4　陶瓷浸泡在LiNO3熔盐中100 h后的SEM形貌

图5　陶瓷浸泡在LiNO3熔盐中的质量变化

2.3质量变化

根据图5分析可知，陶瓷浸泡在LiNO3熔盐中，随着浸泡时间的增加，陶瓷试样的质量先增加后降低。具体来说，浸泡时间为10 h时，其质量增加了2.4%。这主要是由于LiNO3分子不断渗透进了陶瓷的空隙。而浸泡50 h后，其质量在初始质量的基础上减少了1.9%，当浸泡时间增加至100 h时，其质量减少了2.3%。由此可见，随着浸泡时间的增加，该陶瓷封装试样在早期腐蚀速率较快，但随着浸泡时间的增加，其腐蚀速率逐渐降低。造成该现象的主要原因是试验早期陶瓷中一些较易腐蚀的物质已经被腐蚀掉，而残存的都是一些较难腐蚀的物质。

3结论

由试验结果可知，所制备的陶瓷材料主要为氧化硅-氧化铝无机材料体系。通过SEM分析可知，其内部结构致密，具有较高的密实性。将该陶瓷浸泡在LiNO3熔盐中，随着时间的延长，陶瓷试样的质量先增加后降低：在10 h时，其质量增加2.4%，而在50 h时，其质量在初始质量的基础上减少了1.9%，100 h后减少了2.3%。通过SEM形貌分析可知，该质量变化与形貌变化相对应。

参考文献：

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