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MgO陶瓷基高温复合相变蓄热材料的制备和性能研究

作　者: 张兴雪
导　师: 王华
学　校: 昆明理工大学
专　业: 热能工程
关键词: 相变材料 MgO陶瓷基蓄热材料性能
分类号: TQ174.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

随着人口的与日俱增，生活水平不断提高，人们对能源的消耗也越来越大。如何用蓄热技术对化工生产及许多工业过程中排放的不连续、不稳定的热量与能源进行充分利用，已成为一项提高能源利用效率的重要环境技术。蓄热材料主要包括显热蓄热材料、潜热蓄热材料、化学反应蓄热材料和复合蓄热材料四大类。蓄热技术可用来解决能量供给和需求在时间和空间上失配的矛盾，在太阳能利用、废热和余热的回收利用以及工业与民用建筑等领域具有广泛的应用前景。本文提出制备MgO陶瓷基复合相变蓄热材料的方法，采用混合烧结法成功地制备MgO陶瓷基复合相变蓄热材料，同时研究了蓄热材料的制备工艺和性能及相变蓄热材料的失重情况，还确定了蓄热材料的较理想配比和计算了相变蓄热材料的导热系数。首先对于蓄热材料的理论进行研究，并结合热力学HSC软件，从理论上得出：Na₂CO₃和K₂CO₃与MgO之间基本不发生化学反应；另外从材料本身物理性能来讲，选择MgO为基体材料，熔融盐Na₂CO₃和K₂CO₃为相变材料；同时从实验的角度来对选择的原料进行研究，XRD检测结果表明：实验制备出的蓄热材料中的基体材料和相变材料没有发生化学反应，从而证实这种材料能够进行蓄热；在DTA曲线中，可以看出有一个明显的吸热峰，表明选择的基体材料和相变材料可以用来制备蓄热材料。且为了提高相变蓄热材料的致密度，我们选用Bi₂O₃为粘结剂，为了能够顺利脱模，且在工艺上不造成对相变蓄热材料的影响，我们选用无水乙醇为脱模剂。然后制备相变蓄热材料和对其制备工艺进行研究。其中制备过程是：首先将相变材料和基体材料分别按1：9、2：8、3：7和4：6质量比称取，同时粘结剂按占相变材料和基体材料总质量的1％称取，且放在玛瑙乳钵中进行研磨并使其混合均匀，然后利用粉末压片机和模具压制成型，其次将样品放到箱式电炉中进行烧结，最后对样品进行检测分析。且对其制备工艺研究结果为：采用阿基米德法确定相变蓄热材料的致密度ρ，再根据致密度ρ和成型压力及成型时间的关系，最后选定较理想的成型压力（表压）和成型时间分别为：6MPa和15min；结合HSC结果和基体材料的熔点以及相变材料的熔点，确定其烧结温度为1000℃；根据在制备过程中的方法和熔融盐是否有晶相转变等，确定较理想的烧结制度；并且确定理想的升温曲线。最后研究相变蓄热材料的性能和失重情况，同时确定相变蓄热材料的较理想配比和计算其导热系数。对蓄热材料进行XRD、TG—DTA、TG、DSC、SEM和EDS检测分析，研究复合蓄热材料的物相组成XRD得到：相变材料和基体材料没有发生化学反应，即它们的化学相容性比较好；TG—DTA、TG和DSC检测分析，得出相变蓄热材料能够出现吸热峰；通过SEM和EDS检测分析来研究，实验结果表明它们两者之间复合的比较好；根据相变蓄热材料四种配比的平均失重比和相变潜热大小的计算，确定Na₂CO₃与MgO的质量比为4：6为本实验的较理想的配比；并且通过计算表明该相变蓄热材料具有较大的导热系数。该复合相变蓄热材料既兼备了固体显热蓄热材料和潜热蓄热材料两者的优点，又克服了两者的不足，且为这方面的研究提供参考。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-11
第一章绪论  11-31
  1.1 引言  11-12
  1.2 蓄热材料的分类  12-24
    1.2.1 显热蓄热材料  12-13
    1.2.2 相变蓄热材料  13-22
    1.2.3 化学反应蓄热材料  22-23
    1.2.4 复合蓄热材料  23-24
  1.3 无机盐/陶瓷基复合相变蓄热材料  24-28
    1.3.1 无机盐/陶瓷基复合相变蓄热材料的特点  24-25
    1.3.2 无机盐/陶瓷基复合相变蓄热材料组分选择原则  25
    1.3.3 无机盐/陶瓷基复合相变蓄热材料的研究现状  25-26
    1.3.4 无机盐/陶瓷基复合相变蓄热材料的研究总结  26-27
    1.3.5 无机盐/陶瓷基复合相变蓄热材料的应用  27-28
  1.4 本论文研究的目的、意义和内容  28-31
    1.4.1 本论文研究的目的和意义  28-29
    1.4.2 本论文研究的内容  29-31
第二章复合相变蓄热材料的理论研究  31-39
  2.1 蓄热材料的蓄热原理  31-32
    2.1.1 蓄热材料的蓄热原理  31
    2.1.2 无机盐/陶瓷基复合相变蓄热材料的蓄热原理  31-32
  2.2 相变材料的基础研究  32-37
    2.2.1 相变材料的热力学特性  32
    2.2.2 相变材料的相变形式  32-33
    2.2.3 相变材料的加热分解基础反应  33-34
    2.2.4 相变材料的热力学分析  34-37
  2.3 相变蓄热材料的热力学分析  37-39
第三章 MgO陶瓷基高温复合相变蓄热材料的制备  39-53
  3.1 实验设备和试剂  39-40
    3.1.1 实验设备  39-40
    3.1.2 实验试剂  40
  3.2 实验原料的选择  40-45
    3.2.1 实验原料的选择原则  40-41
    3.2.2 相变材料的选择  41
    3.2.3 基体材料的选择  41-42
    3.2.4 相变蓄热材料的实验研究  42-45
  3.3 MgO陶瓷基高温复合相变蓄热材料的制备  45-50
    3.3.1 无机盐/陶瓷基复合相变蓄热材料的制备工艺和比较  45-47
    3.3.2 制备过程  47-50
    3.3.3 制备的相变蓄热材料的照片  50
  3.4 复合相变蓄热材料的具体应用  50-52
    3.4.1 复合相变蓄热材料充填蓄热室的结构图  50-51
    3.4.2 蓄热室应用于工业炉余热回收的实验装置图  51-52
  3.5 本章小结  52-53
第四章 MgO陶瓷基高温复合相变蓄热材料制备工艺的研究  53-63
  4.1 成型压力和成型时间的确定  53-55
  4.2 烧结温度的确定  55-58
  4.3 烧结制度的确定  58
  4.4 Na_2CO_3/MgO复合相变蓄热材料烧结机理分析  58-59
    4.4.1 液相烧结过程  58-59
    4.4.2 烧结致密化机理  59
  4.5 理想烧结的温度曲线  59-60
  4.6 实际烧结过程  60-61
  4.7 本章小结  61-63
第五章实验结果和讨论  63-79
  5.1 检测结果和讨论  63-70
    5.1.1 XRD分析  63-64
    5.1.2 TG-DTA分析  64-66
    5.1.3 TG和 DSC分析  66-68
    5.1.4 SEM分析  68-69
    5.1.5 EDS分析  69-70
  5.2 复合相变蓄热材料的失重情况  70-72
  5.3 本实验较理想配比的选择  72-75
  5.4 复合相变蓄热材料的导热系数  75-77
  5.5 本章小结  77-79
第六章总结和展望  79-83
  6.1 总结  79-80
  6.2 展望  80-83
参考文献  83-87
致谢  87-89
附录参加的科研项目及发表的论文  89

MgO陶瓷基高温复合相变蓄热材料的制备和性能研究

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