一种高导热宽太阳光谱响应的光热转换材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种无机复合材料及其制备方法，尤其涉及一种高导热宽太阳光谱响应的光热转换材料及其制备方法。

背景技术

太阳能直接光热转化利用，是一种潜力巨大的太阳能高效利用技术。太阳能光热发电技术已逐步向800℃甚至更高运行参数发展，但是，更高的运行温度需要开发研究新型耐高温的光热转换材料，同时考虑到运行过程中的实用因素，要求光热转换材料有较高光谱吸收率以及较高导热率，并且兼顾良好的抗震抗氧化能力。因此，以高太阳光谱捕获吸收性能为核心的光热转换材料研发成为了近来太阳能光热发电技术研究的重点方向之一。

陶瓷材料普遍具有耐高温、抗腐蚀、抗氧化的特点，因此天然有成为新型耐高温材料的优点。而作为新型耐高温的光热转换材料，还需要兼顾高导热性与高光谱吸收率。如专利CN111253158B公开了一种以SiC、刚玉粉、高岭土粉为原料制备的太阳能吸热陶瓷材料，尽管具有较高的储热密度，但其光谱吸收率仅为91.6％，热导率仅为3.49W/(m·K)，目前仍存在导热率偏低，吸收率偏低等缺陷。又如专利CN104671711A公开了一种以棕刚玉、白刚玉为骨料，铝溶胶、活性氧化铝粉、蓝晶石、硅微粉、碳化硅为添加剂制备的储热材料，热导率为1.93W/(m·K)目前的储热材料存在热导率低等缺陷。

可见，单一陶瓷材料目前尚无法实现高导热率与高光谱吸收率的性能，因此迫切需要开发一种高导热率与高光谱吸收兼顾的太阳能光热转换材料。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种较高的导热率与较高的光谱吸收的高导热宽太阳光谱响应的光热转换材料；

本发明的第二个目的是提供上述的高导热宽太阳光谱响应的光热转换材料的制备方法。

技术方案：本发明所述的高导热宽太阳光谱响应的光热转换材料，按质量百分数计，包括以下原料：SiC 65％～75％，Al

其中，所述SiC，Al

上述的高导热宽太阳光谱响应的光热转换材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)按质量百分数取原料混合，得到初步混合料；

(2)对初步混合料进行球磨，混合均匀后干燥，得到混合料；

(3)向混合料中加入水或PVA水溶液，进行造粒，随后干燥得到生坯；

(4)将生坯在1250℃～1400℃条件下烧制成型，得到高导热宽太阳光谱响应的光热转换材料。

其中，步骤(2)中，在球磨之前，将初步混合料与水或乙醇混合形成悬浊液，对悬浊液超声振荡分散处理，超声波频率为20～40KHz，功率为300～400W，分散时间为30～60min；将附在容器壁上的生粉振荡入悬浊液，并且完成悬浊液的初步混合。

其中，步骤(2)中，所述球磨的转速为20～30r/min，球磨结束后烘干；使悬浊液中的生粉充分混合。

其中，步骤(3)中，向混合料中加PVA水溶液，所述PVA水溶液的添加量为混合料总质量的5wt％～10wt％；使混合料具有一定的粘性，方便后续挤出、造粒。

其中，步骤(3)中，向混合料中加PVA水溶液，所述PVA水溶液的浓度为2～5wt％；加混合料的可塑性与粘性。

其中，步骤(3)中，所述造粒过程包括挤出、滚圆步骤，挤出后过筛保持粒径在25目以下，随后使用滚圆机滚圆，转速为200～300r/min；将生粉制成颗粒生坯，修饰生坯外形。

其中，步骤(3)中，干燥条件为保持在50～70℃中2～5h；去除生坯中多余的水分，避免多余水分影响煅烧。

其中，步骤(4)中，煅烧过程为：5～10℃/min升温至1250～1400℃，保温9～11h后以2～5℃/min降温至500℃或以下，随后自然空冷至常温，得到高导热宽太阳光谱响应的光热转换材料。升温和降温过程不宜太快，避免颗粒碎裂，保温温度范围是通过一系列实验得到的最佳范围。

其中，步骤(4)中，将生坯铺在坩埚底部，在1250℃～1400℃烧制成型。

发明原理：本发明以SiC为主晶相的光热转换材料吸热效果好，导热能力强，同时具备较强抗氧化性；SiC作为主晶相有较好的光谱吸收表现，同时配方中加入了Fe

有益效果：本发明与现有技术相比，取得如下显著效果：(1)以SiC为主晶相，复配Al

附图说明

图1为本发明实施例1所制备的样品照片；

图2为本发明实施例2所制备的样品在热震30次前后的加权光谱吸收率变化；

图3为本发明实施例2所制备样品与其他发明专利公开材料的导热率对比；

图4为本发明实施例1所制备样品在200℃～800℃热震循环过程中的质量变化情况；

图5为本发明对比例1所制备的样品照片；

图6为本发明对比例2所制备的样品照片；

图7为本发明对比例3所制备的样品照片。

具体实施方式

下面对本发明作进一步详细描述。

实施例1

一种高导热宽太阳光谱响应的光热转换材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)原料配比与混合：按照原料所占质量百分数：SiC粉75％、Al

(2)造粒：在生粉中加入PVA水溶液或去离子水，添加量应为混合料总质量的5wt％；PVA水溶液的浓度为5wt％。得到干湿度适中的胚料后挤出，挤出后过筛保持粒径在25目以下，随后使用滚圆机滚圆得到生坯；其中，滚圆机的转速为300r/min；

(3)干燥成型：将生坯放置在70℃的干燥箱中2h；

(4)煅烧：将干燥好的生坯铺设在方舟型坩埚底部，采用无压烧结，按照5℃/min升温至1350℃，保温11h后以5℃/min降温至500℃，随后自然空冷至常温，得到高导热宽太阳光谱响应的光热转换材料。

经测试，本实施例所制备的高导热宽太阳光谱响应的光热转换材料的孔隙率为47.63％，吸收率为：92.2％，800℃发射率为：85.4％，导热率为：8.5W/(m·K)，室温～1000℃抗热震循环90次不开裂，储热密度1547kj/kg，室温～800℃热重循环质量变化率＜0.25％。通过图1可以观察到样品呈现黑色，颗粒饱满。通过图4可以观察到实施例1在热震循环过程中非常稳定，质量变化率极小。

实施例2

一种高导热宽太阳光谱响应的光热转换材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)原料配比与混合：按照原料所占质量百分数：SiC粉65％、Al

(2)造粒：在生粉中加入PVA水溶液或去离子水，添加量应为混合料总质量的5wt％；PVA水溶液的浓度为5wt％。得到干湿度适中的胚料后挤出，挤出后过筛保持粒径在25目以下，随后使用滚圆机滚圆得到生坯；其中，滚圆机的转速为300r/min；

(3)干燥成型：将生坯放置在70℃的干燥箱中2h；

(4)煅烧：将干燥好的生坯铺设在方舟型坩埚底部，采用无压烧结，按照5℃/min升温至1350℃，保温11h后以5℃/min降温至500℃，随后自然空冷至常温，得到高导热宽太阳光谱响应的光热转换材料。

经测试，本实施例所制备的高导热宽太阳光谱响应的光热转换材料的孔隙率为47.63％，吸收率为：93.8％，800℃发射率为：82.4％，导热率为：8.7W/(m·K)，室温～1000℃抗热震循环90次不开裂，储热密度1425kj/kg，室温～800℃热重循环质量变化率＜0.25％。

通过图2可以观察到实施例2在热震后加权光谱吸收率变化很小，并且仍然在90％以上，样品性能稳定。

通过图3可以观察到实施例2的导热性能与其他专利公开材料相比非常具有优势。

实施例3

在实施例1的基础上，与实施例1不同的是，步骤(2)中，PVA水溶液的浓度为2wt％；超声波频率为20KHz，功率为300W，分散时间为60min；球磨的转速为20r/min；步骤(3)中，将生坯放置在50℃的干燥箱中5h；步骤(4)中，按照10℃/min升温至1400℃，保温9h后以2℃/min降温至400℃；滚圆机的转速为200r/min。

实施例4

在实施例1的基础上，与实施例1不同的是，步骤(4)中，按照10℃/min升温至1250℃，保温9h后以2℃/min降温至300℃。

对比例1

一种太阳能光热转换材料的制备方法，包括以下步骤：

1)原料配比与混合：按照原料所占质量百分数：SiC粉75％、Al

(2)造粒：在生粉中加入PVA水溶液或去离子水，添加量应为混合料总质量的5wt％；PVA水溶液的浓度为5wt％。得到干湿度适中的胚料后挤出，挤出后过筛保持粒径在25目以下，随后使用滚圆机滚圆得到生坯；其中，滚圆机的转速为300r/min；

3)干燥成型：将生坯放置在70℃的干燥箱中2h；

4)煅烧：将干燥好的生坯铺设在方舟型坩埚底部，采用无压烧结，按照5℃/min升温至1000℃，保温11h后以5℃/min降温至500℃，随后自然空冷至常温，得到太阳能光热转换材料。

通过图5可以观察到本样品吸颜色偏灰，经测试，本样品的加权光谱吸收率仅为57.6％。

对比例2

一种太阳能光热转换材料的制备方法，包括以下步骤：

1)原料配比与混合：按照原料所占质量百分数：SiC粉75％、Al

(2)造粒：在生粉中加入PVA水溶液或去离子水，添加量应为混合料总质量的5wt％；PVA水溶液的浓度为5wt％。得到干湿度适中的胚料后挤出，挤出后过筛保持粒径在25目以下，随后使用滚圆机滚圆得到生坯；其中，滚圆机的转速为300r/min；

3)干燥成型：将生坯放置在70℃的干燥箱中2h；

4)煅烧：将干燥好的生坯铺设在方舟型坩埚底部，采用无压烧结，按照5℃/min升温至1450℃，保温11h后以5℃/min降温至500℃，随后自然空冷至常温，得到高导热率与高光谱吸收兼顾的太阳能光热转换材料。

通过图6可以观察到由于温度过高，样品融化严重，无法成形

对比例3

一种太阳能光热转换材料的制备方法，包括以下步骤：

1)原料配比与混合：按照原料所占质量百分数：SiC粉75％、Al

(2)造粒：在生粉中加入PVA水溶液或去离子水，添加量应为混合料总质量的5wt％；PVA水溶液的浓度为5wt％。得到干湿度适中的胚料后挤出，挤出后过筛保持粒径在25目以下，随后使用滚圆机滚圆得到生坯；其中，滚圆机的转速为300r/min；

3)干燥成型：将生坯放置在70℃的干燥箱中2h；

4)煅烧：将干燥好的生坯铺设在方舟型坩埚底部，采用无压烧结，按照5℃/min升温至1350℃，保温11h后以5℃/min降温至500℃，随后自然空冷至常温，得到太阳能光热转换材料。

通过图7可以观察到由于缺少有色金属氧化物后样品颜色变浅，吸收率仅为78％且机械性能极差。

对比例4

一种太阳能光热转换材料的制备方法，包括以下步骤：

1)原料配比与混合：按照原料所占质量百分数：SiC粉75％、Fe

(2)造粒：在生粉中加入PVA水溶液或去离子水，添加量应为混合料总质量的5wt％；PVA水溶液的浓度为5wt％。得到干湿度适中的胚料后挤出，挤出后过筛保持粒径在25目以下，随后使用滚圆机滚圆得到生坯；其中，滚圆机的转速为300r/min；

3)干燥成型：将生坯放置在70℃的干燥箱中2h；

4)煅烧：将干燥好的生坯铺设在方舟型坩埚底部，采用无压烧结，按照5℃/min升温至1350℃，保温11h后以5℃/min降温至500℃，随后自然空冷至常温，得到太阳能光热转换材料。

由于缺少Al