燃煤MHD发电Al2O3基电极间绝缘材料抗裂性的改善.pdf

第 卷 第 期 年 月 东南 大 学学报 〕叮】 习 王双 燃煤 爪 发电 基电极间绝缘材料抗裂性的改善 ’ 刘传博” 东南大学材料科学与工程系 , 南京 摘要 为避免 嫉 煤 加 发电 刃 陶瓷电极间绝缘片在动态试脸 中发生 开裂的现象 , 作者进行了在 基材料 中添加第二相 , 以提高 杭热震性和改善杭 裂性的研究 结果表明 , 所研制 的 仇一 一 多相 复合新 材料与 陶 瓷相比 , 室温杭 育强度提高 , 杭热震临界温差 叮提高 在动态电弧加热器法拉第通道 进行 试验后 , 电极间绝 缘片全 部完整 , 棱角清晰 关键词绝缘材料 氧化铭 复合材料 发电 杭热震性 中 图法 分类号 搜 冷壁 通道壁面温度低于 电极间绝缘材 料 常采 用阁。 , , 和 陶瓷 等 氮化 物和碳化物系陶瓷 具有一定 的试 验效 果 , 但 当壁面温度 提 高后 , 电极间绝 缘 材 料抗 熔 渣 种子的腐 蚀能力 下降 , 从而使它们 的使用受 到限制 陶瓷虽具有 较好 的抗 熔渣 种子腐蚀 能 力和高 温 电 阻 率 , 但其抗 热 震 性不 足叮 , 在 动 态试验 后常发 生 绝 缘 片开 裂 , 从而 影 响了 陶瓷的使用 为克服 刃 陶瓷在 燃煤 发 电动态试验中的开裂现 象 , 作 者 对氧化 铝基多相复合材 料的抗 热震 性进行了研 究 试验条件 采 用 工业 一 和少 量 , , 为基本原 料 , 添加 第 二 相 哪 稳定的 , 反应合成的 。 和纤 维 州。 采 用 热压注法 一 , 烧 结和 热 压 法 , ∀ , 一 烧 结制备 试样 经 加工 后制 成 长条 形试样供淬 火法 和三 点弯曲法测定 室温抗弯强度 和临界热 震温差叮 , , 试 样 供 电弧加热器法 拉 第通 道试 验动 态试验机组参数略 其 研 究材 料 的某些性 能列于附表 中 国家 离技术课厄项目 收稿日期 一 一 , 修改稿收到日期 一一 参加工作的还有梅建平 , 勇平 , 徐海斌 , 王葬 , 扬晨等 东南大 学学报第 卷 附表 试验材 料 的某些 性能 材料试样 体积密度气孔率 二 一, 电阻率 月 弓一月口 山 ,曰,‘ 山八 咬八,诊一 曰 曰八己 曰勺山 口 曰,二幼曰 ,, 一 从 伪 声龟。 , 仇热压注法 一 基 热压注法 一 基心热压注法 一 基十 云认 热压 注法 一 基 仇 热压注法 一刁 基 认 热压注法 一 基 到 热压注法 一 灿 墓十 州。 热压注法 一 基 热压注法 一灿 基十心 , 热压 法 。 。 。 。 ∀∀ ∃ e m 1 0 73K 2 . 69X1 0 了 1 . 6 7 X1 0 7 8 . 4X10 7 9 . 5 X10 5 1 . 5X1 0 5 8 . 6 X10 , 7 . 1 X1 0 7 8 . 95 X 10 . 4 . 0X 10 6 1 . 24 X 10 7 热膨胀系数 aX I}. /K 一 ‘ 抗弯强度 加田a 29 8 K 8.1 9.6 7 。 0 6 . 85 7 。 l 7 . 7 7 . 5 以下简称 I一1为 A 1 20基. 2 试验结果 图 l为A 12o基 材料I一l和I一2 试样 的 抗弯强度与淬火温度 的 关 系 , 由图可 知 两 种材 料的热震 曲 线属于动态 裂 纹断裂 , 但I一2 试 样的热震 曲线 略有 变化 , 其抗热 震温差廿 约为423 K . 图 2为I组 试样 的抗弯强度与淬火温度的关系 , 由图可以看 出室温抗 弯强 度随 着 Z r o含 量增 加 而增 大 , 当z r o含 量 为 1 0 时 , 其值 为 32 0 Mpa , z r o 含 量进 一步 增加 , 其值又有 所下 降.zro 为2纬 的热 震 曲线属 于动态 裂纹 断裂 , 但随z r o 含 量增加 , 热震 曲线 的斜率发 生 变 化 , 3 0 z r o 的热震 曲线已变得 平 坦 , 其 叽/。。0 . 9 4 8 , 表明随z r o 含量增 加 , 热 震 曲 线由动 态 裂纹 扩展 转 变 为 准静态 裂纹 扩 展具 有 热 震 损伤 特 征 .其抗 热 震 温 差叮分 别 为I一l 48 3 K ;I 一2梢 大于473 K ;l 一3约473 K , I 一4达723 K以上. \\ I一2 八† 八以八曰 曰U人日曰†q 以,l- 月 d l乙 \Ž 八以 ” d侣 \ 岛 \上二习 23 」7 3523 淬火混度/K 刁735 7 3 淬火混度 /K 图 11组 试样杭 育强度与淬火温度的 关系 图2 1组试样 杭育强度与淬火温度的关系 使 但图 3为l组 试样的抗弯强度 与淬火 温 度 的关系 , 由图可知 , 添加z r OZf 和适 量 的z r OZ 材 料 室温 抗弯强度保持 较高的水 平 , 如添加5 zr O Zf 试样的室 温抗弯强度 为39 0 Mpa , 第4期 刘传博 燃 煤M HD发电 A 1 2o3基 电极间绝缘 材料杭裂性的 改善 5 3 z r oZ f 添 加量增多 , 室 温抗弯强 度将 有所 下 降.其热震 曲线欲又如同动态裂纹扩 展一样 , 抗 热 震临界温差约为 盯3K . 图 4 为w一1试样抗弯强度与 淬火 温 度 的关系 , 由于在A 1 2o3 基 中添 加zr o , z r o Z f 和 s i 3N;, 且采用热 压 法制备材 料 , 使其室温 抗弯强 度与抗 热 震临界温差都得以提 高 . 室 温抗 弯 强 度 达486Mp a , 热震临界温差达 623 K , 其热震 曲线具有 动态裂 纹 断裂 和热震 损 伤特 征 . W 一1 n U n口八U 八t ln八 U内I jn” n U八U亡J‘弓O1J 0 1 3 0 0卜一一一一 \ ‘ d芝 \Ž 入丫 一 ’ \ 吧了厂士 一 _ 、 一 坦乙 n曰八n†以n U八乙 ] ” ” d l乙 \泛 4 73 573 淬火 . 乙度/K 573623673 淬火混度/K 图 31组 试样杭背强度匀淬火温度的关系 图 4W一1试样 抗育强度与淬火温度的关系 3 分析与讨论 3.1 M H D 发 电机用电极间绝缘 材料 的 考虑 在发 电机通道 中电极间绝 缘片表面受 到熔渣腐蚀 , 等 离子流体 冲刷 , 温度 , 表面 电流 和 电 弧 电流 的影 响 , 从而产生腐蚀 , 烧 蚀和应力 .其应 力有 l 阳极区和阴极区不 同反应形 成新 相 的应力阁 ;2表 面电流的 电场 影响离 子迁 移 , 离子浓度 梯 度的极化电压产生的 电化 学应力 ; 3 电弧 引起电极 与中心气流 电击 穿时 , 洛伦 药力把 电弧推 向阳极形 成烧 蚀 的局部应 力 ; 4 等 离子 流体 冲刷 的剪切应力 ;5温 度梯 度产 生 的热应 力.材 料损 伤 为上述 应力 综合的作 用 , 但主 要 的是 温度应 力 . 由此 , 简化 条 件的热计算 分析 表明 若 材料 抗 热震性 临 界温差 △T 6 2 3 K , 残 余强度 150M甲a , 有可能 改善或避 免材 料开 裂 3 . 2 添 加剂 对 A 1 2o基 陶瓷室 温抗弯强 度 的影 晌 I组试验表明添 加少量 c r 20, Mg o , T i o 对室温抗弯强 度的影响不大 , I 组 试 验添加zr o Z 后 , 其室温抗弯强度与z r o 的关系为 a 0.03106Zro 3一2 . 12 17Zro 234 . 98Z心151.002 计算 值与实测值比较 , 除2z r o试样误差 较大外 , 其他试样 的值 均较 接近 . 从 , , 一Y 2价f/ c ’/ 2 式可以看出 , 断裂强 度与 ,, , 。, E 等参数 有关 .式 中, ,, 为断 裂能 , 包 括了 相变 弹性应变能在内的 多种能量图 , 当添加一定z r o后 , 由于四方相 向单斜相转变 , 对 A 1 203 晶粒产 生 压应 力 , 导致基体内储 存 负弹性 应 变能 , , 从而在 应 力诱 导相变 中 , 在裂 纹 尖端 抵 消 正弹性应 变能而对 断裂 能作出贡献 , 但 当z r o含 量增 加时 , 由于线 膨胀 系数变 化 , 又将 导致 产 生微裂 纹辉为 裂纹半 长 度 , 它 与材 料 中的缺 陷起源有 关 , 也与制备工艺 有关渭为 弹 性模 量 , 作 者研究A 1 20 基中添加z r o后 的弹性 模量可 由下述 统计分析式描述. 东南大 学学 报 第 24 卷 E246.7984.823Zr O Z 一0.13 1zro Z 2 上式 表明 , A 1 2 o 。 中 随 Z r o含 量增加 , 其 E 也增加 , 但达 一定 值后 , Z r o 含 量 再增 加 , 其E 有 所 下降 , 这与文献[们的试 验结果基本相符 .材 料 中的气孔率既 与工艺因素有关 , 也 与z r仇 的 添 加量有关 , 由式Ea , E 。a。一分可 知E , a f 与p呈负指数关系 , 当A 1 2o 中z 到o 由 1 0纬增 加 到30 , 气孔 率p由0.2 增 加 到 4.8 , 其抗 弯强 度 由320 Mpa下降到13 0 .4 M 田a . 试验 中 还发 现 , l 一1 l一3 试样的室温 抗 弯 强度与I一2试样 的室 温抗弯强 度基本相 当 , 添 加5 zr O Zf 试样的 室温抗 弯 强度 为 39 0M, a , 这 与 A 1 2o 基 I一l 试样相比 , 抗弯 强度 提 高93 , 但也可 以看 出 , 纤维 含 量增 加 , 抗弯强 度 有 所下降 , 因此 , 只有 纤 维 含 量适中 , 随机 分 散于基 体 中 , 产生对 A 1 20 表面压应 力 , 抑制裂 纹 尖端 应力 集 中 , 改善 裂 纹走 向才 能 对 抗弯 强度有 所 贡献 . I v一1 试样除z r 02 , z r 0 2 f 作 用外 , 还 有s i 3N; 的效 果.由于s i 3N. 共价键 的强 价键性 , 具 有 高 强度 , 且 工艺改变 为热压工艺 , 在热压 过程中 , 热 力 学分 析 表明在晶界可 形 成 s阁o n , A 困 和莫来 石 等组 份 , 强化了品界并 对抗 弯强度 有所贡献 .A 1 2 仇 一 z r 仇 一 s i 3 N ; 多相复合材 料与 A 1 2仇 基 I一l 陶瓷比较 , 室温抗弯强度提 高l钓 . 3.3 添 加物 对A 1 2o3抗 热 震性 能的 影晌 在 A 1 2O3 中添加z r oZYZo后 , 由干 A 1 2仇一 Z r o 界面形 成半共格 和共渗结 构 , 结合性 较 好 , 具有较高的强度困 , 且 A 1 20 的热 膨 胀 系数小于Z r o的热 膨胀系数 , 使A I Zo 晶粒 表面承 受 压应力 , 从而 可抵 抗材 料内部与表面 温度梯 度所 引起的应力困 , 在应力诱发 相 变时 , z 旧 t 转 变为z r 02m , 伴随有体积的膨 胀 , 对裂 纹尖端施 加应 力 , 作 功和吸收所释 放 的应 变能 , 从而 抑 制 裂纹 扩展 , 表现 I组试样 的抗 热 震 曲线上 , 随zr o 含 量增 加 , 抗 热震 曲线 由动态 裂纹 扩展 转 变 为热震损伤裂纹扩展 . 在 Aho中添 加z心2f 的 试样 , 虽然z r OZf 的热 膨胀系数 也大于A 1 2o 的热膨胀 系数 , 使基体承受压应力 , 纤 维处 于承 受胀 应力状 态川 , 但纤维在高温下由于相变 和 重结晶等都会使 其高温 性能有所下降 , 且Z r oZ f 的E 也 较低 , 当施 加外 力后 , z r o f 断裂将产生缺陷 , 且 也起 不 到纤 维 的应 有 的作 用 , 故 抗 热震 曲线仍 表现为动 态裂纹扩展的 特征 . 在A 1 203 除添加Z r o外 , 添加S i 3N.后 , 由于S i 3N。 的共 价键 特征 , 其价键的方 向性使晶格 具 有 较大 的抗晶格 畸 变与阻 止位错运 动的能力 , 且界面形 成 强化相 , 也提高了界面的强度 , 晶 界可起到 阻 力 裂 纹沿品开 裂的作用 . 由于 添加一定Z r o和Sia N ;, 使抗 热 震临 界温差 得 到 提 高 , 热 震 曲线 也具有 动态 裂纹 扩展和热震 损 伤裂 纹扩展的特 性. 3.4 单 元动态试验 动态试验 是 在 电弧加热器 法拉 第通道 中进行 的运 行工况参 数略 , A 1 2 0 陶瓷绝 缘 片受到 冷热冲击 和迎火面垂 直方 向上较大的温度梯 度 , 使材 料在使用中产生开 裂 , 开 裂型式 多 为横 裂 和斜 裂 , 在动 态 条件下 , 由于绝 缘片迎火面产生化 学反 应 , 形 成 新相 , 且化 学位 梯度及 扩 散推动 力 使离 子 迁移 形成过度层 , 当材 料强 度与抗 热震 性不足 时 , 在热 应力 、 相形 成应 力 等 的综 合 作 用下 , 使表面局部薄弱区产生裂 纹 , 随之 扩展开 裂 .A 1 2o基 材料 的开 裂多 为穿品型 , 添 加z r仇 后 随z r o含 量增加转 变为沿晶型 .A 1 2仇一 Z r 0 2 一 s i 3 N 4 复合材 料由于强度和热裂性 得 到改 善 , 与 第 4期 刘传博 嫉煤M HD发电 A l刃3基电极间绝缘材料杭裂性的改善 5 5 简化 条 件的模型估算 相 一致 , 在250 h , 动 态试验后 , A 1 2 仇 一 z r O Z一 S i 3 N ‘ 绝 缘 片全 部 外观完善 , 棱 角清晰.这是由于抗热震性 的改善 , 强 度的提 高 , 克服了在 动态机 组绝 缘 片开 裂的现象 . 4 结 论 1 在A l刃基中添加zr O Z, 随z州0 含 量增 加 , 热 展 曲线由动态 裂纹 扩展 转 变为热震损 伤 裂纹扩展 ; 2在A儿。基 中添 加zr o 和S i 3N;使材 料 室温 抗 弯强度提 高 14 0 写 , 抗 热震 性临界温 差 提高75 ; 3 研 制 的A 1 2o s -z到。2一 s i 3N; 多相 复合新材 料具有 良好 的综合性 能 , 动态试验后 的电极 间 绝 缘片外 观完 整 , 棱 角清晰 , 克服了开 裂现象 . 参 考文献 刘传 博 , 梅建平 , 勇 平.改性 氧化物绝缘材料的研究进展 .见全国第四届 高技术陶瓷学术会议论文集下 册 , 北京 , 1992 . 453 刘传 博 , 勇平 , 梅建平.M HD 发电通 道绝缘 材料 .见全 国第三届MHD发 电学术会议论文集下册 , 南 京 , 19 89 . F 6 . 1 F6 . 5 张清纯 陶瓷材料的力学性能 .北京 科学出版社 , 19 8 7 . 2 5 8 赵 宏.2旧相变对 Z r A 高温强度的影响 .材料科学进 展 , 198 9 5 4 6 3 4 6 9 李廷凯 , 沈志坚 , 丁子上 . Z r认 一拟2 0 ,系陶瓷复合材料力学性质.硅酸盐学报 , 199 0 1 39一14 6 王 润泽 , 刘廷玲.改普耐火材料抗热 冲击性的途径.耐火材料 , 1987 1 7 1 2 郭景坤.纤维补强陶瓷基复合材料进展.材料科学与工程 , 1 98 9 2 7 1 3 I m P r oVe m en t o f C r a e kR e s i s t a n e e o f A 1 2 认 E昭eI nter e l ee t r o d e I拙ulat o r M aterial s fo r M HDPo, ve r G e n er a t i on U U C h U a lltX 氏侧灯t m e n tof M ate r达加 氏i e假 田记D 、g j i ns , So u t h ea 鱿 U苗ve r山t y , 哑nji呢 210018 A 城ra c tIt1 5shownf tom t he卜D王D serer ato rte st that theA 12O 3 i nterelectro d eIn su lato rP late sw ere g en e r allyd a nla g e di nfo rm s ofc r a ck I n o r d er to s o l v e t h i sP ro bl e m , Z r O Z a n dS isN 一 a r ea d d e d i n to g a川a n e wki nd ofalum i n a 比S e eom 卜万 ite m ate rial. A n di怡 re s i s切L n eeto he a tsh o c ks1 5furt h e r stud- ie d . T he result s show that theflex u r alstre ngthand it s C r i tic al tem p e ra比r eof r e s i s ta n C e tohe at , s h o c k s eou 一 d 比 , r e sp e c tiv e一y , 140 a n d75 h igh er t h a n th a t o f a l u m in a . Th e r ef o re , t h ea l u m i n a b a se m a - t e r i a l c o u l d b e 恤P r ove ddr a m ati c a lly onthe r e sistaJlc eto he atsho ck s . A fter250h dyna miete stof M HD , th e i n t e r e le e t r o d e i n s u l a to r P l a te s m a d eo f ne w co m l x ‘ite h a v ec o m P lete a P详垠ra n ce a n d cl e a r 树g留 and c o m er s . Key 、甲 o r d s i幻‘ula t i n g m a ter ials;a l u mi n ium o x ide ;e o m Po site m ate ria l; MH Dg e n e r a t o r ; r e s is住u lce t o heat s h 0 Ck s