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文档简介
超高温陶瓷材料研究的文献综述过渡金属的碳化物、氮化物、硼化物通常被称为超高温陶瓷材料,他们都具有超高的熔融温度(均超过3000℃)、良好的机械性能、高导电导热、高硬度以及其热稳定和化学稳定等众多特征ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[50-52]。追其根本,晶体的化学组成以及晶体的结构从根本上决定材料的物理特性、化学特性以及热特性。关于超高温陶瓷材料的化学成键、晶体结构以及结构和性质的对应关系在很多工作中被广泛研究。出色的抗氧化和化学惰性是高温极端环境应用系统的理想选择,尤其是在高温工作环境下需要保持材料物理和化学结构稳定的系统。到目前为止,超高温陶瓷材料主要应用于航空航天领域,用于超音速飞行器、火箭发动机喷嘴或极端进入环境下的大气探测器ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[53-55]。随着第三代超高温CSP系统的发展,对选择性吸收涂层的热稳定提出了更高的挑战。超高温陶瓷材料凭借其合适的光学常数和固有的光谱选择性为开发出适配第三代CSP系统的高性能选择性吸收涂层提供了可能性。而超高温陶瓷材料的光谱选择性可通过电子结构的刚性频带模型在一级近似下的两种贡献来解释ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Okuhara</Author><Year>2018</Year><RecNum>1512</RecNum><DisplayText>[56]</DisplayText><record><rec-number>1512</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="fxes9sdxo9xpz7e59zu5pad3x9tw09rwwwex"timestamp="1620141265">1512</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Okuhara,Yoshiki</author><author>Kuroyama,Tomohiro</author><author>Yokoe,Daisaku</author><author>Kato,Takeharu</author><author>Takata,Masasuke</author><author>Tsutsui,Takuhito</author><author>Noritake,Kazuto</author></authors></contributors><titles><title>High-temperaturesolar-thermalconversionbysemiconductingβ-FeSi2absorberswiththermallystabilizedsilverlayers</title><secondary-title>solarenergymaterialsandsolarcells</secondary-title></titles><periodical><full-title>SolarEnergyMaterialsandSolarCells</full-title></periodical><pages>351-358</pages><volume>174</volume><section>351</section><dates><year>2018</year><pub-dates><date>1/1/2018</date></pub-dates></dates><urls></urls><electronic-resource-num>10.1016/J.SOLMAT.2017.09.023</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[56],第一种贡献被称为带内贡献或德鲁德贡献;当电子在费米能级附近存在跃迁时,会导致材料在红外区域的高反射率。第二种贡献被称为带间贡献或洛伦兹贡献;它涉及到价电子的跃迁,处于价带的电子在入射光子的激发下通过吸收能量进入导带。这些跃迁需要一个能量阈值,最终导致了能量在材料内部的吸收或耗散,反映在光谱响应上体现为反射率的降低。两种不同的贡献揭示了超高温陶瓷材料的光谱选择性。下图1-5总结了部分碳基超高温陶瓷材料的吸收比和热发射比ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Sani</Author><Year>2012</Year><RecNum>1503</RecNum><DisplayText>[57]</DisplayText><record><rec-number>1503</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="fxes9sdxo9xpz7e59zu5pad3x9tw09rwwwex"timestamp="1620141265">1503</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Sani,Elisa</author><author>Mercatelli,Luca</author><author>Sansoni,Paola</author><author>Silvestroni,Laura</author><author>Sciti,Diletta</author></authors></contributors><titles><title>Spectrallyselectiveultra-hightemperatureceramicabsorbersforhigh-temperaturesolarplants</title><secondary-title>journalofrenewableandsustainableenergy</secondary-title></titles><periodical><full-title>JournalofRenewableandSustainableEnergy</full-title></periodical><volume>4</volume><number>3</number><section>33104</section><dates><year>2012</year><pub-dates><date>5/11/2012</date></pub-dates></dates><urls><pdf-urls><url>https://www.ino.it/solarlab/files/Spectrally-selective-ultra-high-temperature-ceramic-absorbers_J-Rev-Sust-En-2012.pdf</url></pdf-urls></urls><electronic-resource-num>10.1063/1.4717515</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[57],我们发现材料自身的光谱选择性不足以满足选择行吸收涂层的应用标准。通过对材料制备工艺的不断精进结合光学结构的改良,基于超高温陶瓷的选择性吸收涂层发展迅速,Gao等人提出了一系列基于超高温陶瓷TiC、ZrB2和HfC的SS/UHTCs/Al2O3串联选择性吸收器ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[20,58-60],通过在沉积过程中对基片台加热有效调节了超高温陶瓷的光学常数,最终制备的单层吸收器光谱选择性基本都能达到α/ε=0.9/0.1的光谱选择性,且涂层在真空中600℃环境下能够稳定工作,这进一步证明了超高温陶瓷本身是很有前途的高温选择性吸收涂层材料。但单一的超高温陶瓷材料以及光学结构设计的欠缺导致未能将该材料在吸收涂层内的应用潜力完全开发。研究发现,通过两相共存的方式可有效改良超高温陶瓷材料的抗氧化性,常用SiC作为抑制相引入到涂层中去ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[61]。PangADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Wei</Author><Year>2018</Year><RecNum>776</RecNum><DisplayText>[62]</DisplayText><record><rec-number>776</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="fxes9sdxo9xpz7e59zu5pad3x9tw09rwwwex"timestamp="1611731660">776</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Wei,Qian</author><author>Pang,Xu-Ming</author><author>Zhou,Jian-Xin</author><author>Chen,Cheng</author></authors></contributors><titles><title>HightemperaturespectralselectiveTiC-Ni/Mocermet-basedcoatingsforsolarthermalsystemsbylasercladding</title><secondary-title>SolarEnergy</secondary-title></titles><periodical><full-title>SolarEnergy</full-title></periodical><pages>247-257</pages><volume>171</volume><keywords><keyword>Spectralselectivecoating</keyword><keyword>Thermalstability</keyword><keyword>Lasercladding</keyword><keyword>Multi-scalednanostructure</keyword></keywords><dates><year>2018</year><pub-dates><date>2018/09/01/</date></pub-dates></dates><isbn>0038-092X</isbn><urls><related-urls><url>/science/article/pii/S0038092X1830625X</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>/10.1016/j.solener.2018.06.074</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[62]等人介绍了一种利用纳米颗粒制备具有多尺度纳米结构的TiC-Ni/Mo纳米涂层,可满足空气中工作温度600℃,太阳吸收率为~86.2%。而在ZrB2基选择性吸收涂层中引入TiB2最终实现了能够在真空中700℃稳定运行的吸收涂层。除了热稳定性外,低热发射率也是高温太阳能选择性吸收器涂层的另一种评价标准。研究表明由超高温陶瓷材料和耐火材料(如ZrC和W)组成的反应型复合材料较单一材料相比具有很多潜在的有吸引力的性能组合ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Xie</Author><Year>2015</Year><RecNum>1535</RecNum><DisplayText>[63]</DisplayText><record><rec-number>1535</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="fxes9sdxo9xpz7e59zu5pad3x9tw09rwwwex"timestamp="1620142219">1535</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Xie,Z.M.</author><author>Liu,R.</author><author>Miao,S.</author><author>Yang,X.D.</author><author>Zhang,T.</author><author>Wang,X.P.</author><author>Fang,Q.F.</author><author>Liu,C.S.</author><author>Luo,G.N.</author><author>Lian,Y.Y.</author><author>Liu,X.</author></authors></contributors><titles><title>Extraordinaryhighductility/strengthoftheinterfacedesignedbulkW-ZrCalloyplateatrelativelylowtemperature</title><secondary-title>scientificreports</secondary-title></titles><periodical><full-title>SciRep</full-title><abbr-1>Scientificreports</abbr-1></periodical><pages>16014-16014</pages><volume>5</volume><number>1</number><section>16014</section><dates><year>2015</year><pub-dates><date>11/4/2015</date></pub-dates></dates><urls><pdf-urls><url>/articles/srep16014.pdf</url></pdf-urls></urls><electronic-resource-num>10.1038/SREP16014</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[63]。在热交换器中使用这种复合材料可以显著提高可再生集中太阳能发电系统的高温性能,金属相的引入或可对选择性吸收涂层的热发射起到强有效的抑制作用。图1-5不同孔隙率和烧结工艺得到的碳化物超高温陶瓷的自身光谱选择性ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Sani</Author><Year>2012</Year><RecNum>1503</RecNum><DisplayText>[57]</DisplayText><record><rec-number>1503</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="fxes9sdxo9xpz7e59zu5pad3x9tw09rwwwex"timestamp="1620141265">1503</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Sani,Elisa</author><author>Mercatelli,Luca</author><author>Sansoni,Paola</author><author>Silvestroni,Laura</author><author>Sciti,Diletta</author></authors></contributors><titles><title>Spectrallyselectiveultra-hightemperatureceramicabsorbersforhigh-temperaturesolarplants</title><secondary-title>journalofrenewableandsustainableenergy</secondary-title></titles><periodical><full-title>JournalofRenewableandSustainableEnergy</full-title></periodical><volume>4</volume><number>3</number><section>33104</section><dates><year>2012</year><pub-dates><date>5/11/2012</date></pub-dates></dates><urls><pdf-urls><url>https://www.ino.it/solarlab/files/Spectrally-selective-ultra-high-temperature-ceramic-absorbers_J-Rev-Sust-En-2012.pdf</url></pdf-urls></urls><electronic-resource-num>10.1063/1.4717515</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[57][1]M.I.Qureshi,A.M.Rasli,K.Zaman,Energycrisis,greenhousegasemissionsandsectoralgrowthreforms:repairingthefabricatedmosaic,JournalofCleanerProduction112(2016)3657-3666.[2]N.L.Panwar,S.C.Kaushik,S.Kothari,Roleofrenewableenergysourcesinenvironmentalprotection:Areview,Renewable&SustainableEnergyReviews15(3)(2011)1513-1524.[3]W.Liu,J.Hu,S.Zhang,M.Deng,C.-G.Han,Y.Liu,Newtrends,strategiesandopportunitiesinthermoelectricmaterials:Aperspective,MaterialsTodayPhysics1(2017)50-60.[4]S.Mekhilef,R.Saidur,A.Safari,Areviewonsolarenergyuseinindustries,RenewableandSustainableEnergyReviews15(4)(2011)1777-1790.[5]S.K.Thengane,S.Bandyopadhyay,Biocharmines:Panaceatoclimatechangeandenergycrisis?,CleanTechnologiesandEnvironmentalPolicy22(1)(2019)5-10.[6]T.Esence,A.Bruch,S.Molina,B.Stutz,J.-F.Fourmigué,Areviewonexperiencefeedbackandnumericalmodelingofpacked-bedthermalenergystoragesystems,SolarEnergy153(2017)628-654.[7]R.Saidur,J.U.Ahamed,H.H.Masjuki,Energy,exergyandeconomicanalysisofindustrialboilers,EnergyPolicy38(5)(2010)2188-2197.[8]J.Widén,M.Lundh,I.Vassileva,E.Dahlquist,K.Ellegård,E.Wäckelgård,Constructingloadprofilesforhouseholdelectricityandhotwaterfromtime-usedata—Modellingapproachandvalidation,EnergyandBuildings41(7)(2009)753-768.[9]F.Crisostomo,N.Hjerrild,S.Mesgari,Q.Li,R.A.Tay
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