氧化铒耐高温陶瓷研制及其热辐射特性研究(2)
1.1 研究背景及意义
随着能源危机和环境污染日益加重，如何更加高效和清洁地利用能源成为了世界各国都在解决的难题。热光伏发电（TPV）是一种新型的热电转化装置，能够将高温物体辐射热能直接转化为电能。其原理与太阳能光伏发电基本相同，利用半导体p-n结在近红外光照射下产生“光生伏特效应”[1]，热辐射照射到半导体p-n结上，吸收光能，形成新的空穴-电子对。在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，电池两端出现正负电荷的积累，产生“光生电压”，接通电路后就形成“光生电流”，这就是热光伏电池的工作原理。
热光伏发电和太阳能光伏发电相比，不再依赖太阳光，能量来源更加广泛，能够不受天气，昼夜变化影响，更加稳定。和其他能源利用方式相比，热光伏发电具有理论效率高，噪音低，可便携，无移动部件，可靠性高，高体积比功率，高重量比功率，可将热能利用和发电结合在一起等众多优点[2]。然而由于实际热光伏系统会受到热光伏电池p-n结理论的限制,计算的理论效率实际只能达到20%～30%,所以提高实际效率是热光伏发电研究所面临的关键问题[3]。
热光伏系统的结构示意图如图1.1，一般包括热源、热辐射器、滤波器、热光伏电池，热回收器和电池散热器等几个部分。其中热辐射器是将热源发出的能量转换成热辐射能然后提供给热光伏电池进行转换的装置，主要分为黑体热辐射器,灰体热辐射器和选择性热辐射器。黑体热辐射器和灰体热辐射器在整个波长范围内的光谱发射率基本一致，常见的有耐高温的碳化硅（SiC）和氮化硅（SiN）材料，在热源温度较低的系统中应用较多，但因为热光伏电池的能量转换具有选择性，所以很大一部分照射到热光伏电池上的辐射无法被转换。选择性辐射器在高温下平衡态时的热辐射光谱非常窄且具有单色性，在特定波段具有较高发射率，而其他波长范围发射率很小，因而在相应波段的热光伏电池能够有较高的效率，从而能够提高整个热光伏发电系统的效率[4]。
图1.1热光伏系统的结构示意图
目前所研究的选择性辐射器主要为稀土氧化物, 包括镧系元素氧化物以及氧化镱、氧化铒、氧化钪等，应用最广的基于稀土氧化物的辐射器光谱发射范围可以和热光伏电池较好的匹配，稀土氧化物是最有前景的选择性辐射器的材料[5]。
1.2 研究现状
1.3 氧化饵耐高温陶瓷的制备方法
1.3.1 固相合成法
在金属氧化物陶瓷制备技术中应用最广泛的是粉体混合物直接反应的块体烧结法，又称固相合成法。这种反应由反应物原子或离子的扩散控制，为了获得较高的迁移率并使反应物之间充分的靠近，这种固相反应一般要求具有很高的反应温度并且要求反应物的颗粒尺寸要很小[14]。
其工艺过程是将按各组分配比配好的各种原料粉末充分混合、研磨，并在高温下反复烧结，直到获得理想的单相化合物的过程。固相反应法中最关键的一步是烧结，不同的样品，其烧结温度和时间控制都不一样。虽然固相合成法制备时间较长，温度要求较高，但是其方法简单，产物易收集的特点使固相合成法仍被广泛使用着[15]。
吴文远，任存治[16]等人在专利一种碳化硼稀土复合陶瓷材料的制备方法中，将制备复合陶瓷分为两个步骤。(1)配料：按比例取碳化硼粉末同稀土氧化物粉末和稀土硼化物粉末均匀混合, (2)热压烧结：将经过均匀混合后的粉料装入石墨模具中,置于热烧结炉中,抽真空至0.1Pa以 下,以5～25℃/min速度升温至1800～2050℃,保温10～90分钟,缓慢加压5～30MPa,继续保温10～90 分钟即可,此方法操作 简单,易于在稀土复合陶瓷材料制造领域推广应用。