一種高吸收率太陽能陶瓷材料的製備方法與流程
2023-05-03 06:31:11
本發明涉及一種高吸收率太陽能陶瓷材料的製備方法，屬於太陽能陶瓷材料的製備技術領域。
背景技術：
石油、煤炭、天然氣等傳統化石能源正日益枯竭，而人類的發展對能源需求的不斷增加，能源緊缺問題迫在眉睫。世界各國採取了可再生能源替代傳統化石能源的一系列措施，太陽能熱發電技術正是在此背景發展的一種有效解決能源短缺問題的方法。而事實證明，利用太陽能替代一部分化石能源是一種切實可行的方法，人們 發出了多種太陽能利用技術，如太陽能熱水器、太陽能釆暖、太陽能幹燥、太陽能熱發電等。吸熱器作為搭式太陽能熱發電的核心器件之一，承受著比自然日光強200～300倍的輻射強度，其工作溫度甚至可達到1000℃以上。因此其性能影響著熱發電系統的穩定運行和工作效率。國內外研究表明，由於吸熱器使用溫度過高，普通金屬工作溫度不能超過800℃，所以普通金屬不能作為吸熱材料，所以取而代之的是吸熱較好的陶瓷材料。
但是現有在製備吸熱陶瓷材料的時候，性能較好的碳化矽陶瓷材料工藝複雜成本較高，所以一般使用氧化物陶瓷材料，但是由於現有的氧化物陶瓷材料作為吸熱體材料導熱率較低，輻射吸收率不夠均勻，同時材料熱震性能較差，容易因太陽能的不連續性所產生的熱衝擊而失效。所以製備一種高熱導率輻射均勻的氧化陶瓷材料很有必要。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題：針對現有的太陽能氧化陶瓷材料導熱率較低，輻射吸收率不夠均勻，同時材料熱震性能較差，容易因太陽能的不連續性所產生的熱衝擊而失效的問題，提供了一種將磁性四氧化三鐵顆粒分散複合製備凝膠液，通過將氧化物陶瓷材料在凝膠液中冷卻，由於冷卻過程中磁性顆粒與氧化物材料連接複合，隨後形成黑色凝膠存儲至陶瓷材料孔隙中，使其均勻吸收太陽能輻射，有效提高了其熱震性能，很有的解決了太陽能氧化陶瓷材料導熱率較低，輻射吸收率不夠均勻，同時材料熱震性能較差，容易因太陽能的不連續性所產生的熱衝擊而失效的問題。
為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是：
（1）收集Fe3O4顆粒洗淨後並在45～60℃下乾燥3～5h，隨後將乾燥Fe3O4顆粒置於球磨罐中，在250～300r/min下球磨3～5h，過100～110目篩，收集得Fe3O4粉末；
（2）按質量比1:15，將Fe3O4粉末與去離子水攪拌混合，在200～300W下超聲分散10～15min，製備得Fe3O4分散液，隨後按重量份數計，分別稱量45～50份Fe3O4分散液、10～15份N-異丙基丙烯醯胺、5～8份N,N』-亞甲基雙丙烯醯胺、3～5份丙烯酸、2～3份十二烷基苯磺酸鈉和10～15份去離子水置於三口燒瓶中，攪拌混合併在70℃下水浴加熱，對其通氫氣排除空氣，在氫氣氣氛下保溫處理25～30min；
（3）待保溫處理完成後，對三口燒瓶中添加十二烷基苯磺酸鈉質量10%的過硫酸銨，隨後保溫反應5～6h，停止加熱並靜置冷卻至室溫，製備得黑色磁性凝膠液，備用；
（4）按重量份數計，分別稱量45～50份火山巖顆粒、10～15份高嶺土、2～3份氧化鋁、5～8份氧化鎂、3～5份五氧化二磷和10～15份二氧化矽置於球磨罐中，在250～300r/min下球磨3～5h，隨後過95～100目篩，收集得混合球磨粉末；
（5）按質量比1:3，將去離子水與混合球磨粉末攪拌混合併澆注至模具中，在室溫下固化2～3h後，將其置於120～150℃下保溫預熱45～60min，隨後按12℃/min升溫至1550～1600℃，保溫煅燒1～2h後，將燒制胚體自然冷卻至450～500℃；
（6）待自然冷卻完成後，按質量比1:30，將燒制胚體置於步驟（3）製備的黑色磁性凝膠液中浸泡降溫至室溫，製備得凝膠滲透陶瓷材料，隨後將凝膠滲透陶瓷材料置於100～120℃下乾燥6～8h，靜置冷卻至室溫即可製備得一種高吸收率太陽能陶瓷材料。
本發明製備的高吸收率太陽能陶瓷材料在經歷10次熱震循環後，抗壓強度可達80MPa，在0～900℃下熱膨脹係數為4.55×10-6℃-1，太陽能吸收率α為0.85,熱發射率為0.88。
本發明與其他方法相比，有益技術效果是：
（1）本發明製備的高吸收率太陽能陶瓷材料熱輻射吸收均勻，抗熱震性能優異，有效提高材料使用壽命；
（2）本發明製備過程簡單，綠色安全無汙染。
具體實施方式
首先收集Fe3O4顆粒洗淨後並在45～60℃下乾燥3～5h，隨後將乾燥Fe3O4顆粒置於球磨罐中，在250～300r/min下球磨3～5h，過100～110目篩，收集得Fe3O4粉末；按質量比1:15，將Fe3O4粉末與去離子水攪拌混合，在200～300W下超聲分散10～15min，製備得Fe3O4分散液，隨後按重量份數計，分別稱量45～50份Fe3O4分散液、10～15份N-異丙基丙烯醯胺、5～8份N,N』-亞甲基雙丙烯醯胺、3～5份丙烯酸、2～3份十二烷基苯磺酸鈉和10～15份去離子水置於三口燒瓶中，攪拌混合併在70℃下水浴加熱，對其通氫氣排除空氣，在氫氣氣氛下保溫處理25～30min；待保溫處理完成後，對三口燒瓶中添加十二烷基苯磺酸鈉質量10%的過硫酸銨，隨後保溫反應5～6h，停止加熱並靜置冷卻至室溫，製備得黑色磁性凝膠液，備用；按重量份數計，分別稱量45～50份火山巖顆粒、10～15份高嶺土、2～3份氧化鋁、5～8份氧化鎂、3～5份五氧化二磷和10～15份二氧化矽置於球磨罐中，在250～300r/min下球磨3～5h，隨後過95～100目篩，收集得混合球磨粉末；按質量比1:3，將去離子水與混合球磨粉末攪拌混合併澆注至模具中，在室溫下固化2～3h後，將其置於120～150℃下保溫預熱45～60min，隨後按12℃/min升溫至1550～1600℃，保溫煅燒1～2h後，將燒制胚體自然冷卻至450～500℃；待自然冷卻完成後，按質量比1:30，將燒制胚體置於步驟（3）製備的黑色磁性凝膠液中浸泡降溫至室溫，製備得凝膠滲透陶瓷材料，隨後將凝膠滲透陶瓷材料置於100～120℃下乾燥6～8h，靜置冷卻至室溫即可製備得一種高吸收率太陽能陶瓷材料。
實例1
首先收集Fe3O4顆粒洗淨後並在45℃下乾燥3h，隨後將乾燥Fe3O4顆粒置於球磨罐中，在250r/min下球磨3h，過100目篩，收集得Fe3O4粉末；按質量比1:15，將Fe3O4粉末與去離子水攪拌混合，在200W下超聲分散10min，製備得Fe3O4分散液，隨後按重量份數計，分別稱量45份Fe3O4分散液、10份N-異丙基丙烯醯胺、5份N,N』-亞甲基雙丙烯醯胺、3份丙烯酸、2份十二烷基苯磺酸鈉和10份去離子水置於三口燒瓶中，攪拌混合併在70℃下水浴加熱，對其通氫氣排除空氣，在氫氣氣氛下保溫處理25min；待保溫處理完成後，對三口燒瓶中添加十二烷基苯磺酸鈉質量10%的過硫酸銨，隨後保溫反應5h，停止加熱並靜置冷卻至室溫，製備得黑色磁性凝膠液，備用；按重量份數計，分別稱量45份火山巖顆粒、10份高嶺土、2份氧化鋁、5份氧化鎂、3份五氧化二磷和10份二氧化矽置於球磨罐中，在250r/min下球磨3h，隨後過95目篩，收集得混合球磨粉末；按質量比1:3，將去離子水與混合球磨粉末攪拌混合併澆注至模具中，在室溫下固化2h後，將其置於120℃下保溫預熱45min，隨後按12℃/min升溫至1550℃，保溫煅燒1h後，將燒制胚體自然冷卻至450℃；待自然冷卻完成後，按質量比1:30，將燒制胚體置於黑色磁性凝膠液中浸泡降溫至室溫，製備得凝膠滲透陶瓷材料，隨後將凝膠滲透陶瓷材料置於100℃下乾燥6h，靜置冷卻至室溫即可製備得一種高吸收率太陽能陶瓷材料。
實例2
首先收集Fe3O4顆粒洗淨後並在50℃下乾燥4h，隨後將乾燥Fe3O4顆粒置於球磨罐中，在275r/min下球磨4h，過105目篩，收集得Fe3O4粉末；按質量比1:15，將Fe3O4粉末與去離子水攪拌混合，在250W下超聲分散12min，製備得Fe3O4分散液，隨後按重量份數計，分別稱量47份Fe3O4分散液、12份N-異丙基丙烯醯胺、7份N,N』-亞甲基雙丙烯醯胺、4份丙烯酸、3份十二烷基苯磺酸鈉和12份去離子水置於三口燒瓶中，攪拌混合併在70℃下水浴加熱，對其通氫氣排除空氣，在氫氣氣氛下保溫處理27min；待保溫處理完成後，對三口燒瓶中添加十二烷基苯磺酸鈉質量10%的過硫酸銨，隨後保溫反應6h，停止加熱並靜置冷卻至室溫，製備得黑色磁性凝膠液，備用；按重量份數計，分別稱量47份火山巖顆粒、12份高嶺土、3份氧化鋁、7份氧化鎂、4份五氧化二磷和12份二氧化矽置於球磨罐中，在275r/min下球磨4h，隨後過97目篩，收集得混合球磨粉末；按質量比1:3，將去離子水與混合球磨粉末攪拌混合併澆注至模具中，在室溫下固化3h後，將其置於135℃下保溫預熱55min，隨後按12℃/min升溫至1575℃，保溫煅燒2h後，將燒制胚體自然冷卻至475℃；待自然冷卻完成後，按質量比1:30，將燒制胚體置於黑色磁性凝膠液中浸泡降溫至室溫，製備得凝膠滲透陶瓷材料，隨後將凝膠滲透陶瓷材料置於115℃下乾燥7h，靜置冷卻至室溫即可製備得一種高吸收率太陽能陶瓷材料。
實例3
首先收集Fe3O4顆粒洗淨後並在60℃下乾燥5h，隨後將乾燥Fe3O4顆粒置於球磨罐中，在300r/min下球磨5h，過110目篩，收集得Fe3O4粉末；按質量比1:15，將Fe3O4粉末與去離子水攪拌混合，在300W下超聲分散10～15min，製備得Fe3O4分散液，隨後按重量份數計，分別稱量50份Fe3O4分散液、15份N-異丙基丙烯醯胺、8份N,N』-亞甲基雙丙烯醯胺、5份丙烯酸、3份十二烷基苯磺酸鈉和15份去離子水置於三口燒瓶中，攪拌混合併在70℃下水浴加熱，對其通氫氣排除空氣，在氫氣氣氛下保溫處理30min；待保溫處理完成後，對三口燒瓶中添加十二烷基苯磺酸鈉質量10%的過硫酸銨，隨後保溫反應6h，停止加熱並靜置冷卻至室溫，製備得黑色磁性凝膠液，備用；按重量份數計，分別稱量50份火山巖顆粒、15份高嶺土、3份氧化鋁、8份氧化鎂、5份五氧化二磷和15份二氧化矽置於球磨罐中，在300r/min下球磨5h，隨後過100目篩，收集得混合球磨粉末；按質量比1:3，將去離子水與混合球磨粉末攪拌混合併澆注至模具中，在室溫下固化3h後，將其置於150℃下保溫預熱60min，隨後按12℃/min升溫至1600℃，保溫煅燒2h後，將燒制胚體自然冷卻至500℃；待自然冷卻完成後，按質量比1:30，將燒制胚體置於黑色磁性凝膠液中浸泡降溫至室溫，製備得凝膠滲透陶瓷材料，隨後將凝膠滲透陶瓷材料置於120℃下乾燥8h，靜置冷卻至室溫即可製備得一種高吸收率太陽能陶瓷材料。