• 太阳能资讯:新型光致发光纳晶金属陶瓷中高温

    太阳能灶

      当前,随着煤、石油等石化燃料的日益消耗, 环境污染日益严重,人们急需找到传统石化燃料的替代品。太阳能作为一种巨大、清洁、普遍的可再生能源,将有望在能源方面成为21世纪人类构建和谐社会的可靠保障。

      由于人类对能源需求的日益增长,常规能源的日益短缺,石油价格不断上涨,全球气候变暖以及环境的压力,世界各国为寻求能源安全和人类社会可持续发展,将战略目光转向可再生能源的开发。太阳能是最理想的可再生能源,具有清洁、无污染、辐射总功率巨大且取之不尽的优点,开发和利用太阳能是人类社会可持续发展的重要举措。人类利用太阳能的历史非常悠久,在低温应用领域太阳能热利用的技术最为成熟。太阳能热利用的基本方式是利用光热转换材料将太阳辐射转换为热能。产生的热能可应用于采暖、干燥、蒸馏、烹饪以及工农业生产的各个领域,并可进行太阳能热发电、空调制冷、热解制氢等。当前,技术成熟的、广泛应用的太阳能热利用方式有太阳能热水器、太阳灶及太阳房等,其中以太阳能热水器的应用最为广泛。我国太阳能热水器的生产和应用始于20世纪70年代后期,经过几十年的发展,我国已成为世界上热水器生产和消费最大的国家。随着科学技术的发展及能源危机的压力,人们更加期望从太阳获取更高品位的能源将其应用拓展到中高温应用领域,太阳能发电、太阳能制氢、太阳能海水淡化等太阳能先进利用技术已成为当前及未来研究、开发和利用太阳能的主要方向。由于太阳能资源的分散性、高性能材料的研究及能量传递等因素影响,太阳能热利用先进技术并未广泛应用于社会实践。因此,作为太阳能热利用的核心材料,对中高温金属陶瓷太阳能吸热膜的研究与开发显得极为重要。

      采用实验研究和理论研究相结合为一体的方式展开本项目的研究工作,将本项目的研究工作主要概括为三个方面:

      太阳辐射能量强度峰值主要分布在波长为0.3-2.5μm的可见光和近红外区,研究人员同时利用内因和外因两种途径提高金属陶瓷涂层光吸收效率,其基本结构如图2所示。对于特定的纳米晶金属,可对某一特定频率光谱吸收(内因)。同时为了提高其它频率光谱的吸收,通过精确控制膜层的厚度使其对可见光产生干涉相消(外因)。然而在中高温领域,此结构金属陶瓷膜的应用则显得尤为困难。这主要因为较高的工作温度导致涂层之间元素发生扩散,进而破坏涂层对光的干涉相消作用导致金属陶瓷涂层的光吸收性能大幅降低。因此,光热转换性能热稳定性差严重制约着中高温金属陶瓷选择吸收涂层的发展。Wang在顶尖学术期刊Advanced Materials发表论文 ( Wang HQ et al. Adv Mater, 2011, 23: 2675),发现太阳能电池光阳极吸收光谱一般在可见光范围内,对占太阳光总能量高达43%的近红外波段几乎没有吸收。为了充分提高光吸收率,提高光电转换效率,Wang在太阳能电池上制备光致发光材料(光致发光示意图如图1),将近红外光转换为可吸收的可见光,提高了太阳能电池的光吸收效率。

    太阳能资讯:新型光致发光纳晶金属陶瓷中高温

      结合相关文献,我们发现了创新点。将光致发光材料与金属陶瓷太阳能吸热膜相结合,则原先需通过光干涉吸收的光谱可以通过光致发光材料转换为纳米晶金属可以吸收的光谱,制备单层金属陶瓷涂层即可实现在较宽频率光谱范围内的吸收进而避免多层金属陶瓷的设计,巧妙地解决了金属陶瓷中高温涂层研究的瓶颈问题。此外,由于不需要精确控制涂层厚度,这也大大降低了涂层的制备难度。因此,本课题拟通过对光致发光/TiC基金属陶瓷复合涂层制备工艺以及性能的研究,获得高温光热转换性能优异的太阳光谱选择吸收涂层。

      根据纳米晶金属陶瓷涂层光热转换机理可知,其光热转换性能与纳米晶金属的性质存在密切关系。在外场作用下,金属粒子产生表面等离子体振荡。其局域场增强因子f(ω)可表示为:

    太阳能资讯:新型光致发光纳晶金属陶瓷中高温

      其中,α表示单个金属粒子在外场中的极化,与粒子介电常数,基质以及粒子的形状,大小等有关;β表征粒子间的相互作用,与粒子间距,形状等有关。影响颗粒膜局域场增强因子的这些因素可称为颗粒膜的控制参量,当ω使 1+αβ 最小时,即发生等离子共振,在该频率附近,非线性效应最为强烈。此时相应的波长称为共振波长。

      由公式可知,改变颗粒膜的控制参量,以改变局域场共振波长位置,这对金属陶瓷颗粒膜的实际应用有着重要意义。特别地,参数α不仅与粒子形状、尺寸等有关,且与粒子的介电常数密切相关,而改变金属粒子的种类(即介电常数)是一种更方便有效的途径。有趣的是, KadırganF发表论文(KadırganF. Int J Photoenergy, 2006,2006:1)发现纳米晶CdTe金属间化合物也具有极强的吸收可见光的能力(α=95%,ε=0.8%)。受此启发,我们不仅可以简单改变纳晶金属种类,也可以通过对纳米晶金属的掺杂改性获得优异的光热转换性能。鉴于此,申请者拟以过渡族金属M(Ni、Co、Mo等)为研究对象,通过改变纳米晶金属的性质,如调整纳米晶金属的种类、尺寸、形貌、分布、体积分数以及对纳米晶金属掺杂改性等,高效地将太阳能转化为光能,制备光吸收性能优越的新型TiC基金属陶瓷涂层。

      众所周知,作为金属陶瓷复合材料,陶瓷性能显著影响复合材料的整体性能。对于金属陶瓷型太阳能吸热膜,由于温度因素不能回避,因此高温力学强度、膜层的应力的匹配、耐摩擦性能等高温力学性能必须作为中高温光太阳能吸热膜研究的重点。王全兆研究了TiN添加对TiC基金属陶瓷力学性能的影响,研究发现,TiN可以与TiC形成固溶体,对金属陶瓷的显微结构及力学性能有着显著的影响。值得注意的是,在金属陶瓷型太阳能吸热膜体系中,对陶瓷基体的系统研究尚未见到文献报道。然而根据等效媒质理论,金属陶瓷的光吸收性能与其等效介电常数有关,显然,等效介电常数由组成金属与陶瓷的介电常数决定。

      根据文献启发,我们获得了灵感,我们通过对陶瓷基体的改性(掺杂、固溶等)可以调整陶瓷的成分,进而改善金属陶瓷高温力学性能。根据公式(1),陶瓷相的介电常数也将随着陶瓷的改性而变化并对金属陶瓷的光吸收特性产生显著影响。这意味着对陶瓷基体的研究可以同时改变光热转换性能和力学性能。因此,申请人拟系统探索陶瓷相的改性,综合研究和调控新型TiC基金属陶瓷力学性能和光热转换性能,制备综合性能优异的中高温太阳能吸热膜。

      目前太阳能吸热膜的制备方法主要有:电镀、涂料法、磁控溅射法等。这些膜系虽有较好的光学性能,但这些方法存在原材料贵,生产成本高,沉积大面积工件困难以及对污染环境等不利因素。因此,研究适用工业生产且成本低廉的太阳能吸热膜具有重大的工程价值,其关键技术之一是制备一种高温光热转换性能、力学性能稳定、成本较低、工艺简单的选择性吸收涂层。热喷涂技术所用涂层粉末的组分选择范围大,可采用微米、亚微米、纳米等尺寸粉末进行喷涂,能够达到提高涂层性能的目的。因此,申请人拟采用等离子喷涂技术,系统研究涂层的表面形貌、相结构等对性能的影响以制备高温性能稳定且成本较低的太阳能吸热膜。

      比较喷涂和喷焊技术特点发现,热喷涂是将熔融材料喷在基板上,涂层与基板之间的结合为机械咬合。而喷焊技术是对涂层进行融化使涂层与熔融的基板表面达到冶金结合。受此启发,我们对选择吸收涂层制备技术进行创新性探索。由于喷焊涂层与基板为原子间的冶金结合,故相比于热喷涂,涂层的高温力学性能、抗剥落性能显然更为优越。因此在喷涂技术基础上,申请者拟系统探索喷焊工艺对新型TiC基金属涂层各项性能,特别是高温力学性能的影响。将热喷焊技术引入到低成本高性能太阳能吸热膜的制备中,进一步拓展太阳能热利用。

      如前所述,中高温太阳能吸热膜传热性能极为重要不能忽略,而目前对其传热特性的研究还未见报道。由于该类涂层制备方法非常丰富,而制备技术的不同致光谱选择吸收涂层微观组织及宏观性能存在显著差异(如图2所示),涂层内部气孔率,空隙形状、大小及分布与制备方法密切相关。值得注意的是,较大含量纳米晶金属势必导致复合材料薄膜内部存在大量的界面,而界面热阻对复合薄膜导热性能的影响必须考虑。

    太阳能资讯:新型光致发光纳晶金属陶瓷中高温

      不同方法制备金属陶瓷太阳能选择吸收涂层的显微组织及微空隙:(a) 溶胶-凝胶法 (b)水溶液化学法

      气孔对传热特性的研究主要集中在多孔介质材料的传热领域,但是由于该过程的复杂性和多样性,目前己有的研究成果和方法尚不能准确描述该过程微观机制,大部分仅有工程实用价值,尚待进一步改进。近年,Chu (Chu K et al. J Alloy Compd, 2010, 490:453.)发表论文,研究了考虑界面影响的Cu/金刚石复合材料的传热特性。通过文献检索,综合考虑微空隙和界面影响的复合材料传热模型尚未见报道。经调研发现,考虑气孔或界面的材料传热模型几种研究方法中,都可将有效当量法作为其基本方法。这为问题的解决找到了突破口,申请者拟通过有效当量法建立数学关系,综合构建涵盖空隙及界面的纳米晶金属陶瓷涂层传热模型,定量研究其传热特性,深入分析传热性能对光热转换性能的影响。

    太阳能资讯:新型光致发光纳晶金属陶瓷中高温

      针对中高温金属陶瓷太阳能光谱选择吸收薄膜高温热稳定性差、易开裂及剥落的问题,课题组对金属-陶瓷界面热残余应力进行了研究(如图4所示)。此外,课题组对CNT-Cu、Mo2FeB2-Fe、Ti(C, N)-Ni等金属陶瓷的制备、改性、及性能表征进行广泛地探索。如采用活化烧结法、原位反应烧结法制备Mo2FeB2-Fe和Ti(C, N)-Ni金属陶瓷材料;利用高能球磨发制备纳米晶Ti(C, N)粉体;并在Ti(C, N)基金属陶瓷表面上利用双辉等离子渗碳技术制备金属陶瓷梯度薄膜(图 5所示)。

    本站文章源于互联网采集,如有侵权请发邮件联系我们,我们在第一时间删除。 转载请注明:太阳能资讯:新型光致发光纳晶金属陶瓷中高温 太阳能灶

    2019-11-28 23:52