随着人类社会的不断发展,对能源的需求日益增加,能源供应与需求的矛盾日益突出。太阳能具有资源丰富、取之不尽、用之不竭、不会污染环境和破坏生态平衡等优点。太阳能热发电是最可能引起能源革命、实现大功率发电、替代常规能源的最经济手段之一。但是太阳能具有间歇性和不稳定性的特点,因此开发用于太阳能热发电储热系统的蓄热材料来提高太阳能的热利用率及和发电效率已成科研的热点。　　 氧化铝陶瓷能够承受1000℃以上的高温,具有较高的室温和高温强度、高的化学稳定性、既耐酸又耐碱、导热性良好、绝缘强度、电阻率高、耐磨损、具有一系列的优异性能,因而获得了及其广泛的应用。铝硅合金相交热焓值高,储热温度高,导热速度快,热稳定性较好,过冷度小,相变体积变化小,但合金在液态时化学活性较强,易与储热容器进行反应。NaCl熔盐相变热焓值高,来源丰富,价格低廉,但NaCl熔盐在高温下腐蚀性强。基于此,陶瓷材料成为封装这些相变材料的首选材料。　　 作为太阳能热发电用储能材料由于在使用受到温度的急冷急热的变化。因此提高基质材料的抗热震性能成为一项关键的性能,本文设计了H系列、AS系列及AJ系列的氧化铝复相陶瓷。采用DSC、XRD、SEM、EPMA等现代测试技术研究了材料组成、制备工艺、结构与性能的关系,探讨了材料的抗热震机理,并研究了PCM对基材的腐蚀机理以及二者相容性机理。　　 在无压烧结条件下,采用低温煅烧Al(OH)3在配方中部分或完全取代α-Al2O3,以提高原料的活性,再辅之苏州高岭土、桂广滑石、方解石、SrCO3、ZnO、TiO2等原料,利用低温煅烧Al(OH)3原位分解的方法制备了氧化铝复相陶瓷,并对其微观结构和抗热震性能进行了研究。研究表明,添加15wt％的煅烧Al(OH)3和添加70wt％的煅烧Al(OH)3的样品均能促进材料的致密化；添加15wt％的煅烧Al(OH)3在1420℃温度下烧成的样品Wa、Pa、D的值分别为0.54％、1.72％、3.16g／cm3,烧成收缩、抗折强度分别为5.66％、195.95MPa。煅烧Al(OH)3由于在烧成过程中发生脱羟基等物理、化学变化,生成的无定形Al2O3粒子的活性增大,固相反应在较低的温度下就能进行。样品在经过了10次从1000℃到0℃冷风急冷抗热震实验后,仅4个样品的残余强度比值(σR／σf)低于100％,在这些样品中,残余强度比值(σR／σf)最大的是在1380℃温度下烧结的H3样品,其值达188.05％,表明材料在经过了10次从1000℃到0℃冷风急冷抗热震实验后,材料的内部结构进行了一些调整,材料的微观结构向良性的方向发展,导致了材料的抗弯曲强度值的上升。但样品经20次抗热震实验后,大多数样品性能已经劣化,有的甚至失效。　　 为了进一步提高基材的抗热震性能,在以上研究的基础上,通过添加SiC组份,设计了AS系列样品的配方,制备了AS系列样品。对样品结构与性能进行测试与分析。显微结构分析表明,Al2O3大都生长成长柱状,晶粒尺寸在1～6μm,莫来石晶粒大都生长成针状,这是由于在配方中引入了CaO、SiO2和TiO2,这些氧化物在高温下能够形成液相,这些液相诱导氧化铝晶粒的生长成长柱状。AS1配方组成:α-Al2O372％,苏州土16％,滑石4.5％,方解石3.5％,ZnO　　 15％,TiO22.5％,碳化硅(外加)5％,在1400％温度下烧成的样品AS1Wa、Pa、D的值分别为5.15％、14.26％、2.77g／cm3,烧成收缩、抗折强度分别为8.27％、78.63MPa。经过10次抗热震实验后,在1400℃温度下烧结的AS1样品,其的抗弯曲强度值(σR)为129.21MPa,经过10次抗热震实验后的抗弯曲强度值(σR)最小的是在1460℃温度下烧结的AS4样品,其值仅为38MPa。样品的抗热震性能提高的机理是,热震后,样品的玻璃相减少,晶相增多,晶粒有细化及轮廓形貌清晰的趋势。这是因为样品在热震过程中产生了一些液相,这些液相促使晶粒长大,故导致了样品的玻璃相减少,晶相增多,反映在样品的力学性能上,就是样品在热震后抗折强度提高。　　 在前期研究的基础上,通过添加堇青石组份,设计了AJ系列样品的配方,制备了样品。样品的显微结构分析表明,氧化铝晶粒生长成六方柱状,晶粒大小在1～5μm之间,各种尺寸的晶粒纵横交错,互相咬合,构成材料骨架作用,样品中存在许多针状的二次莫来石晶粒,这些针状二次莫来石与氧化铝及其它晶粒一道构成材料的骨架,赋予材料较高的力学性能。AJ2的配方组成为:α-Al2O372％,苏州土16％,滑石4.5％,方解石3.5％,ZnO15％,TiO22.5％,堇青石(外加)5％,样品AJ2在1400℃温度下烧成的Wa、Pa、D的值分别为0.54％、1.70％、3.12g／cm3,烧成收缩、抗折强度分别为14.34％、152.07MPa。经过20次抗热震实验后,在1400℃温度下烧结的AJ2样品的抗弯曲强度值(σR)为176.97MPa,残余强度比值为116.37％。由于莫来石膨胀系数(α=5.0×10-6／℃)和玻璃相的膨胀系数(α=6.8×10-6／℃)相差不大,温度变化时不致出现大的有害应力。所以样品中的针状莫来石呈网络状分布在玻璃相中,可以抵制材料受到热震时的破坏力,进而提高了材料的抗热震性能。　　 以AS1、AJ2样品为基材,制备了用于封装相变材料的FS及FJ2个系列的陶瓷高温封装剂。FS4的配方组成为:AS1基材60％,熔剂40％；FJ4的配方组成为:AJ2基材60％,熔剂40％。基材与封装剂结合机理探讨表明基质材料和封装剂出现液相互相迁移,组分互相扩散,基质中的晶体向封装剂中生长,封装剂中的晶体向基质中生长,导致基质材料-封装剂中间层的出现,中间层的形貌介乎于二者之间,与二者无明显界线,将二者紧密结合为一体。样品热震前后的显微结构对比研究发现,热震后,封装剂和基质材料晶粒互相渗透作用增大,进一步完善中间层微观结构,从而提高材料抗热震性能的作用。　　 以AJ2样品为基材,Al-Si合金为相变材料,制备了太阳能热发电用的潜热-显热储热球。储热球壳体基材与相变材料的机理分析表明,基质材料和Al-Si合金互相渗透,基质材料的某些成分向Al-Si合金生长,Al-Si合金向基质材料渗透,两者互相作用,形成一个整体,Al-Si合金与基质材料没有明显的分界面,两者结合性较佳。Al-Si合金与基质材料相接触的界面形成了一个介于Al-Si合金与基质材料性质之间的中间结合层,中间层的产生防止了相变材料向基质材料的进一步渗透、扩散,起到防止相变材料泄漏及氧化变性的作用。经70次热循环后样品中的MgO、CaO、TiO2、Na2O向相变材料层渗透量与经30次热循环后的样品大体相似,只是已经扩散到合金层的MgO、CaO、TiO2、Na2O向合金层表面进一步扩散,这说明经过30次热循环后,随着中间层的形成,样品的性质趋于稳定,热循环次数增加,起变化的只是已经扩散到合金层的MgO、CaO、TiO2、Na2O,样品的这种性质有利于提高储能材料的热利用效率。样品的EPMA分析结果表明,Al-Si合金未与基质材料发生化学反应生成新的物质,说明基质材料与Al-Si合金化学相容性极佳,可以作为包裹Al-Si合金的基质材料。储热球在584.2℃出现吸热峰,对应Al-Si合金的熔化温度,相变温区为572.4℃～602.6℃,相变潜热值为345.6KJ／kg,通过计算得出复合储热材料的储热密度为458.6KJ／Kg,显著大于显热储热材料的储热密度113KJ／kg,充分体现了金属材料与无机非金属材料复合相变储热材料的优势。　　 以AS1氧化铝基蜂窝陶瓷为基体,在蜂窝陶瓷的孔洞内,封装NaCl熔盐,制备了显热-潜热复合储热氧化铝基蜂窝陶瓷。当相变材料(NaCl)填充了蜂窝陶瓷的2／3孔洞且每个孔洞填充2／3容积时,样品在温度为200℃时,蓄热密度为692.55kJ·kg-1,温度为600℃时,蓄热密度为1054.66kJ·kg-1,温度升至1000℃时,蓄热密度为1471.77kJ·kg-1。蜂窝陶瓷与NaCl相容性机理分析显示,NaCl与基质材料还只是物理接触,并未产生成分互相渗透、发生化学反应的现象。样品中结合层的断面二次电子像及元素面分布图揭示NaCl与基质材料接触面的界限清晰,说明NaCl没有向基质材料中渗透,基质材料与NaCl熔盐不会发生化学反应,它们具有良好的化学相容性。样品的断面二次电子像及元素线分布图揭示,基质材料和相变材料的成分在各自的区域内分布,只是在界面上很窄的区域(约50μm)范围内互相混杂,充分表明基质材料与NaCl熔盐不会发生化学反应。