1. 研究目的与意义（文献综述）

1.选题的目的及意义

1.1研究目的与意义

在工业、建筑供暖、太阳能热利用等能量系统中，经常存在着热量的时间和空间不协调的问题，造成了许多能源的浪费，解决这一问题的一种途径就是使用蓄热材料。蓄热技术旨在解决热能供给过程中需求的时间和强度上不匹配的矛盾，具有极广阔的应用前景。蓄热材料作为蓄热技术发展和应用的关键性因素，所受关注程度日益提升，通常来说，按照储热原理的不同，储热材料可分为显热储热材料、潜热储热材料和化学反应储热材料。

由于显热储热技术较为成熟且成本低廉，但其储热密度较低导致储热系统体积较大；潜热储热材料储热量大，但是其传热效果较差；化学反应储热材料储热量最大，但需要复杂的反应器并且耐久性和化学稳定性较差。所以说现在出现了一种将相变材料和基体材料进行复合，使能量以相变潜热的形式储存在载体中的复合相变储热技术从而实现了能量的不同时空转换。

粉煤灰又称作飞灰，是燃煤火电厂燃料废渣的一种。数据显示，每燃烧1吨煤,就能产出250一300 kg粉煤灰^[1]，我国目前来自燃煤电厂的灰渣排放量达1.8亿吨/年以上,大量粉煤灰堆放不仅侵占土地资源，还对地下水等环境造成严重污染。目前我国的的粉煤灰利用层次还比较低，大多数应用于基础工程和建筑领域，如道路工程的路基、路面处理,矿坑回填，生产水泥制、混凝土等。使用效率低，消耗量小，且仍然存在很严重的污染问题。由于粉煤灰的主要化学成份为SiO₂和Al₂O₃，所以可将其用于莫来石质陶瓷的制备，促进其资源化利用。

赤泥是铝厂从铝土矿中提炼氧化铝时排出的废渣，由于赤泥为碱性物质，若未经处理直接堆放会占用田地，干燥后易引起扬尘污染大气，排入河流会污染水系。考虑到赤泥里面的碱性氧化物和氧化铁能够降低烧成温度，促进陶瓷的致密化，因此本课题利用粉煤灰为原料，加入赤泥、页岩等原料，辅以适量粘结剂、润滑剂和水，制备出储热蜂窝陶瓷基体，从而实现废弃资源的合理化利用，为固体废弃物的高附加值资源化利用探索了新的途径。

1.2国内外研究动态

1.2.1储热材料的研究进展

储热材料在太阳能转换系统的应用中，需要考虑储热材料的技术性能指标、制造成本以及环境效应等因素。其中最为重要的便是技术性能指标，包括储热密度、传热速率和耐久性。储热密度高就可以减小储热器的体积，提高系统的效率；传热速率决定了系统的储存释放速度，对能量快速转换有极好的帮助。而耐久性则决定了其使用寿命，以及经过反复循环后的可靠性。储热材料大致分为显热储热材料、潜热储热材料和化学反应储热材料。

显热储热材料是利用自身温度的升降来实现储放热，常见的显热储热材料既有固态也有液态，常见的固态显热储热材料主要有砂石、混凝土、烧结砖和合金等，常见的液态显热储热材料有油、液态钠和无机熔盐，但是存在使用温度区间太窄或者成本过高、稳定性不好等诸多问题。

潜热储热材料是利用相变材料在发生相变时吸热或放热来实现储放热，又称相变储热材料。相比于显热储热材料，由于相变材料的相变焓较高，因此相变材料的储热密度更大，同时储放热过程近似等温，储热装置易于运行控制和管理。但是经常会遇到传热性能不佳的问题。

化学反应储热材料是利用可逆化学反应化学键的断裂和形成过程中通过化学能和热能的转换来储热，其在受热和受冷时对外吸热和放热。通常化学反应的焓变很高，因此化学反应储热材料的储热密度极高^[2]。

1.2.2粉煤灰陶瓷研究动态

我国是个产煤大国，而煤炭为电力生产的基本燃料，随着电力工业的迅速发展，带来了粉煤灰排放量的急剧增加，给我国的国民经济建设及生态环境造成巨大的压力。在提倡废物利用的国际环境下，粉煤灰的综合利用成了今后发展的主要方向。目前，我国粉煤灰主要被用于建材方面^[3,4]，国外对粉煤灰的开发利用较早,在20世纪30年代就探索利用粉煤灰配制粉煤灰混凝土^[5],并且取得了巨大成功和显著的经济效益^[6.7]。美国、日本等国正在开发从粉煤灰中回收稀有金属和变价金属如锗、铝、钒、抗、钦、锌、铝、铁等的新工艺和技术,目前已实现工业化提取的有钥、锗、钒、铀。美国田纳西州橡树岭试验室研制出一种从粉煤灰中回收铝和其他金属的可行方法,这种新工艺能回收粉煤灰中的铝以及的其它金属^[8]。

通过对粉煤灰的化学成分、结构分析不难发现，我国火电厂粉煤灰的主要氧化物组成为: SiO₂、Al₂O₃、FeO、Fe₂O₃、CaO、TiO₂等，其中SiO₂、TiO₂来自黏土和岩页。粉煤灰的化学成分含量随煤的产地、电厂设备、燃烧方式和燃烧程度等不同而不同。表1-1为我国电厂粉煤灰的平均化学组成^[9]。

表1-1我国粉煤灰化学组成

从表1-1可以看出，我国粉煤灰化学成分的主要特点是SiO₂、Al₂O₃含量较高，CaO、MgO 等氧化物含量较少，而 Fe₂O₃含量的高低则取决于煤种的选择。粉煤灰的主要成分是SiO₂、Al₂O₃，与制备陶瓷的黏土主要成分非常的相似。粉煤灰价格低廉，其制品的性能价格比高、质量稳定可靠。因此以粉煤灰为主要原料，制造陶瓷的技术是可行的，而且采用粉煤灰制备陶瓷的技术不仅可以降低成本，还可以在很大程度上实现废物利用，减少环境污染。可见利用粉煤灰做陶瓷的技术无论在理论上还是在实践上都具有一定的现实意义和应用前景，只要不断探究选择合理的骨料配方、粘结剂及成型烧结方式，就可以利用粉煤灰制备出高性能陶瓷，实现粉煤灰资源化综合利用。

2006年中国科技大学的任祥军等^[10]以工业废弃物粉煤灰为主要原料，添加造孔剂制备了粉煤灰基多孔陶瓷膜。在造孔剂添加量为20%、烧成温度为1250℃时，制备出样品孔隙率为51.2%，抗弯强度为6.4Mpa，平均孔径为3.72μm。昆明理工大学的苗庆东等^[11]以粉煤灰为主要原料，辅以石灰石、矿物激发剂制备了抗压强度为12.5Mpa,导热系数为0.12W/(m-k),密度为0.98g/cm3 的新型低温陶瓷泡沫材料。在其制品中工业废渣利用总量达到90%，为粉煤灰的高附加值利用提供了一条新途径。付春伟等^[12]单纯以粉煤灰，采用添加造孔剂法，模压成型，固相烧结，研究了造孔剂种类和用量对粉煤灰多孔陶瓷性能的影响，为粉煤灰陶瓷研究确定了影响因素。

1.2.3 蜂窝陶瓷研究动态

蜂窝陶瓷作为一种功能性的多孔材料，早在20世纪80年代美国的康宁公司(Corning)就开始研制，并于1975年在小型汽车尾气处理上取得了很好的效果^[13]。

随后在20世纪90年代，日本科学家率先发明了高温空气贫氧燃烧技术(HTAC),被誉为21世纪最具发展潜力的技术之一，而这项技术的关键之一便是制备高性能的蓄热材料——蜂窝陶瓷^[14]。2007年左右，Applied公司及其相关公司、组织成功研制出一种新型的蜂窝陶瓷，用于处理烟道气中的NO_X—SO₃，由于该技术使用的催化剂必须在高温环境下才能发挥作用，所以利用了蜂窝陶瓷高温条件下的惰性，不与催化剂发生反应^[15]。

蜂窝陶瓷具有高的比表面积和良好的物理化学稳定性,另外还具有低密度、高渗透率、良好的能量吸收性能以及耐高温、耐腐蚀、化学稳定性和尺寸稳定性高、易于再生等诸多特点。近年来,随着制备技术的发展,其应用范围不断扩大,应用水平也不断提高。蜂窝陶瓷作为一种新型材料,越来越受到人们的重视。与传统的颗粒状陶瓷载体相比,多孔状蜂窝陶瓷载体具有压力降小、几何表面大、扩展距离短、有利于反应物的进入和生成物的排出,并可缩小反应器的体积等优点。因此蜂窝陶瓷特别适用于汽车尾气的处理、烟道气的净化、蓄热体以及红外辐射燃烧板等方面。

在国内关于蜂窝陶瓷的的相关研究较少尤其是氧化铝蜂窝陶瓷，国内黄学辉^[16]等学者以α-Al₂O₃微粉料为主原料,采用粘土、梭甲基纤维素（CMC）等有机一无机复合增塑剂,加入桐油等作为润滑剂,采用挤出成型法制备刚玉质高温型蜂窝陶瓷蓄热体。该蓄热体具有良好的蓄热性、传热性、抗热震性和耐高温性,并具有较高的强度和密度,是一种理想的高温型蓄热体。同时证明了在氧化铝基蜂窝陶瓷烧制过程中引入苏州土和MgO会降低其烧成温度，在1450℃时发生烧结。而且引入MgO中Mg和Al形成低共溶相填充在Al₂O₃晶粒之间，降低了材料在受冲击过程中的结构调整空间，从而降低了材料的抗热震性能。

目前普遍采用的蓄热体材料是堇青石蜂窝陶瓷,其典型物性为孔壁密度1.6g/cm^-3,热膨胀系数1.0×10^-6℃^-1室温下的热导率为9.2×10^-3W(m*K)^-1。后续又开发了钛酸铝、锂辉石、氧化铝、碳化硅、莫来石等的蜂窝陶瓷产品。常见的蜂窝陶瓷材料的物理性能见表^[17]1-2

表1-2常见蜂窝陶瓷的物理性能

付会娟^[18]等学者采用溶胶凝胶法在蜂窝陶瓷载体表面制备了氧化铝涂层,使用、等分析手段研究了氧化铝涂层的结构形貌和特性，试验结果表明,氧化铝涂层在陶瓷载体上附着牢固。铝溶胶中加入尿素可以有效调整溶胶的粘度,从而能够获得负载量大,比表面积高的氧化铝涂层。所以可见将蜂窝陶瓷用于制备复合相变储热基体材料是可行的。

2. 研究的基本内容与方案

3. 研究计划与安排

3.完成期限和预期进度

第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。

第4－12周：按照确定的实验方案制备蜂窝陶瓷，进行烧结，并用xrd、sem等测试手段研究热震前后样品的相组成和微观形貌的变化以及烧结后样品的物理性能。利用软件模拟蜂窝陶瓷中温度场的分布。

4. 参考文献（12篇以上）

4.参考资料

[1]吴庆波. 粉煤灰—赤泥多孔陶瓷材料的制备及性能研究[d].山东建筑大学,2013.

[2]冷光辉,蓝志鹏,葛志伟,秦月,姜竹,叶锋,丁玉龙. 储热材料研究进展[j]. 储能科学与技术,2015,02:119-130.