Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Только для подписчиков

Оптимизация ключевых параметров, влияющих на спекание и уплотнение SiC/B4Cкерамики для приемников солнечной энергии


https://doi.org/10.17073/1683-4518-2025-3-114-124

Полный текст:




Аннотация

Система приемников солнечной энергии играет решающую роль в определении эффективности и долгосрочной жизнеспособности решений в области устойчивой энергетики. Рассмотрена задача достижения высокой плотности керамического материала системы SiC‒B4C, подходящего для приемников солнечной энергии. Авторы исследовали несколько управляющих параметров: фазовый состав, температуру и длительность спекания, введение спекающих добавок. Результаты показали, что повышения длительности и/или температуры спекания недостаточно для уплотнения системы карбидов, однако этого можно достичь с использованием спекающих добавок. Более того, уплотнение спеченных композиционных материалов с использованием спекающих добавок графита и (MgO + Al2O3) более существенно при высоких температурах спекания. Максимальная плотность композита составила 2,48 г/см3 (~77 % теоретической плотности) при введении в его состав 5 мас. % спекающей добавки (MgO + Al2O3) и спекании при 1750 °C в течение 2 ч. Это объясняется повышенной диффузией компонентов и образованием жидкой фазы. Ожидается, что полученная карбидная керамика станет перспективным материалом для приемников солнечной энергии.

Об авторах

Дина Х. А. Бесиса
Департамент огнеупорных и керамических материалов, Центральный металлургический научно-исследовательский институт
Россия
Каир


А. А. Эль-Маддах
Департамент огнеупорных и керамических материалов, Центральный металлургический научно-исследовательский институт
Россия
Каир


Ясер М. З. Ахмед
Департамент огнеупорных и керамических материалов, Центральный металлургический научно-исследовательский институт
Россия
Каир


Эмад М. М. Эвайс
Департамент огнеупорных и керамических материалов, Центральный металлургический научно-исследовательский институт
Россия
Каир


Список литературы

1. Besisa, D. H. A. Inspection of thermal stress parameters of high temperature ceramics and energy absorber materials / D. H. A. Besisa, E. M. M. Ewais, E. A. Mohamed [et al.] // Solar Energy Materials and Solar Cells. ― 2019. ― Vol. 203. ― Article 110160.

2. Besisa, D. H. A. Thermoelectric properties and thermal stress simulation of pressureless sintered SiC/ AlN ceramic composites at high temperatures / D. H. A. Besisa, E. M. M. Ewais, E. A. M. Shalaby [et al.] // Solar Energy Materials and Solar Cells. ― 2018. ― Vol. 182. ― P. 302‒313.

3. Besisa, D. H. A. Thermal performance and mechanical durability of Al2O3/CuO ceramics as solar receiver materials for solar thermal applications / D. H. A. Besisa, E. M. M. Ewais, H. H. Mohamed // Ceram. Int. ― 2022.

4. Del Río, P. An overview of drivers and barriers to concentrated solar power in the European Union / P. del Río, C. Peñasco, P. Mir-Artigues // Renew. Sustain. Energy Rev. ― 2018. ― Vol. 81. ― P. 1019‒1029.

5. Poobalan, R. K. Recent trends and challenges in developing boride and carbide-based solar absorbers for concentrated solar power / R. K. Poobalan, H. C. Barshilia, B. Basu // Sol. Energy Mater. Sol. Cells. ― 2022. ― Vol. 245. ― Article 111876.

6. Casalegno, V. High-performance SiC-based solar receivers for CSP: component manufacturing and joining / V. Casalegno [et al.] // Materials (Basel). ― 2021. ― Vol. 14. ― P. 1‒17.

7. Kennedy, C. E. Review of mid- to high-temperature solar selective absorber materials. ― 2002.

8. Romaniello, P. Optical properties of bcc transition metals in the range 0‒40 eV / P. Romaniello, P. L. de Boeij, F. Carbone, D. van der Marel // Phys. Rev. B. ‒ Condens. Matter Mater. Phys. ― 2006. ― Vol. 73. ― P. 1‒16.

9. Ahmed, Y. M. Z. Effect of zirconia and iron on the mechanical properties of Al2O3/TiC composites processed using combined self-propagating synthesis and direct consolidation technique / Y. M. Z. Ahmed, Z. I. Zaki, D. H. A. Besisa [et al.] // Materials Science and Engineering : A. ― 2017. ― Vol. 696. ― P. 182‒189.

10. Fahrenholtz, W. G. Ultra-high temperature ceramics: materials for extreme environments / W. G. Fahrenholtz, G. E. Hilmas // Sci. Mater. ― 2017. ― Vol. 129. ― P. 94‒99.

11. Fahrenholtz, W. G. Ultra-high temperature ceramics: materials for extreme environment applications / W. G. Fahrenholtz, E. J. Wuchina, W. E. Lee [et al.]. ― John Wiley & Sons, 2014.

12. Purwar, A. Thermo-structural design of ZrB2‒SiCbased thermal protection system for hypersonic space vehicles / A. Purwar, B. Basu // J. Am. Ceram. Soc. ― 2017. ― Vol. 100. ― P. 1618‒1633.

13. Al-Jothery, H. K. M. A review of ultra-high temperature materials for thermal protection system / H. K. M. Al-Jothery, T. M. B. Albarody, P. S. M. Yusoff [et al.] // IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. ― 2020. ― Vol. 863.

14. Ni, D. Advances in ultra-high temperature ceramics, composites, and coatings / D. Ni, Y. Cheng, J. Zhang [et al.] // J. Adv. Ceram. ― 2022. ― Vol. 11. ― P. 1‒56.

15. Sciti, D. Suitability of ultra-refractory diboride ceramics as absorbers for solar energy applications / D. Sciti, L. Silvestroni, L. Mercatelli [et al.] // Sol. Energy Mater. Sol. Cells. ― 2013. ― Vol. 109. ― P. 8‒16.

16. Sani, E. Compositional dependence of optical properties of zirconium, hafnium and tantalum carbides for solar absorber applications / E. Sani, L. Mercatelli, M. Meucci [et al.] // Sol. Energy. ― 2016. ― Vol. 131. ― P. 199‒207.

17. Yang, Y. Preparation of a novel TiN/TiNxOy/SiO2 composite ceramic films on aluminum substrate as a solar selective absorber by magnetron sputtering / Y. Yang [et al.] // J. Alloys Compd. ― 2020. ― Vol. 815. ― P. 1‒11.

18. Besisa, D. H. A. Investigation of microstructure and mechanical strength of SiC/AlN composites processed under different sintering atmospheres / D. H. A. Besisa, E. M. M. Ewais, Y. M. Z. Ahmed [et al.] // J. Alloys Compd. ― 2018. ― Vol. 756. ― P. 175‒181.

19. Besisa, D. H. A. Thermal shock resistance of pressureless sintered SiC/AlN ceramic composites / D. H. A. Besisa, E. M. M. Ewais, Y. M. Z. Ahmed [et al.] // Mater. Res. Express. ― 2018. ― Vol. 5 (1). ― Article 015506.

20. Besisa, D. H. A. Effect of sintering atmospheres on the processing of SiC/AlN ceramic composites / D. H. A. Besisa, E. M. M. Ewais, Y. M. Z. Ahmed [et al.] // Refract. Ind. Ceram. ― 2018. ― Vol. 58 (5). ― P. 552‒556.

21. Besisa, D. H. A. Black zirconia composites with enhanced thermal, optical and mechanical performance for solar energy applications / D. H. A. Besisa, E. M. M. Ewais // Solar Energy Materials & Solar Cells. ― 2021. ― Vol. 225. ― Article 111063.

22. Besisa, D. H. A. A comparative study of thermal conductivity and thermal emissivity of high temperature solar absorber of ZrO2/Fe2O3 and Al2O3/CuO ceramics / D. H. A. Besisa, E. M. M. Ewais, Y. M. Z. Ahmed // Ceram. Int. ― 2021. ― Vol. 47, № 20. ― P. 28252‒28259.

23. Sani, E. Ultra-refractory ceramics for hightemperature solar absorbers / E. Sani, L. Mercatelli, F. Francini [et al.] // Sci. Mater. ― 2011. ― Vol. 65. ― P. 775‒778.

24. Sani, E. Ultra-high temperature ceramics for solar receivers: Spectral and high-temperature emittance characterization / E. Sani, L. Mercatelli, D. Jafrancesco [et al.] // J. Eur. Opt. Soc. ― 2012. ― Vol. 7.

25. Sani, E. Hybrid B4C/TiCN aqueous nanofluids for solar absorber applications / E. Sani, M. R. Martina, J. P. Vallejo, L. Lugo // Sol. Energy Mater. Sol. Cells. ― 2023. ― Vol. 254. ― Article 112280.

26. Besisa, D. H. A. Densification and characterization of SiC‒AlN composites for solar energy applications / D. H. A. Besisa, E. M. M. Ewais, Y. M. Z. Ahmed [et al.] // Renewable Energy. ― 2018. ― Vol. 129, part A. ― P. 201‒213.

27. Zhang, W. A novel ceramic with low friction and wear toward tribological applications: Boron carbide-silicon carbide / W. Zhang // Adv. Colloid Interface Sci. ― 2022. ― Vol. 301. ― Article 102604.

28. Besisa, D. H. A. Optical, magnetic and electrical properties of new ceramics/lead silicate glass composites recycled from lead crystal wastes / D. H. A. Besisa, E. M. M. Ewais, Y. M. Z. Ahmed // Journal of Environmental Management. ― 2021. ― Vol. 285. ― Article 112094.

29. Liu, J. A. Continuum modeling of B4C densification during spark plasma sintering / J. A. Liu, F. Zeng, Zh. Zou [et al.] // J. Mater. Res. ― 2017. ― Vol. 32, № 17. ― P. 3425‒3433.

30. Clegg, W. J. Role of carbon in the sintering of borondoped silicon carbide / W. J. Clegg // J. Am. Ceram. Soc. ― 2000. ― Vol. 83, № 5. ― Р. 1039‒1043.

31. Stobierski, L. Sintering of silicon carbide I. Effect of carbon / L. Stobierski, A. Gubernat // Ceram. Int. ― 2003. ― Vol. 29, № 3. ― Р. 287‒292.

32. Suri, A. K. Synthesis and consolidation of boron carbide: A review / A. K. Suri, С. Subramanian, J. K. Sonber [et al.] // International Materials Reviews. ― 2010. ― Vol. 55, № 1. ― Р. 4‒38.

33. Zhang, W. Recent progress in B4C‒SiC composite ceramics: processing, microstructure, and mechanical properties / W. Zhang // Mater. Adv. ― 2023. ― № 15. ― P. 3140‒3191.

34. Williams, T. Development of pressureless sintered silicon carbide ‒ boron carbide composites for armour applications / T. Williams // (2016).

35. Mashhadi, M. Effect of Al addition on pressureless sintering of B4C / M. Mashhadi, E. Taheri-Nassaj, V. M. Sglavo [et al.] // Ceram. Int. ― 2009. ― Vol. 35. ― P. 831‒837.

36. Zhang, W. Progress in pressureless sintering of boron carbide ceramics ― a review / W. Zhang, S. Yamashita, H. Kita // Adv. Appl. Ceram. ― 2019. ― Vol. 118. ― P. 222‒239.

37. Guo, W. Effects of B4C on the microstructure and phase transformation of porous SiC ceramics / W. Guo, H. Xiao, J. Liu [et al.] // Ceram. Int. ― 2015. ― Vol. 41, № 9, part A. ― P. 11117‒11124.

38. Reimanis, I. A review on the sintering and microstructure development of transparent spinel (MgAl2O4) / I. Reimanis, H. J. Kleebe // J. Am. Ceram. Soc. ― 2009. ― Vol. 92. ― P. 1472‒1480.

39. Moberlychan, W. J. The roles of amorphous grain boundaries and the β-α transformation in toughening SiC / W. J. Moberlychan, J. J. Cao, L. C. De Jonghe // Acta Mater. ― 1998. ― Vol. 46. ― P. 1625‒1635.

40. Tahani, M. Molecular dynamics study of interdiffusion for cubic and hexagonal SiC/Al interfaces / M. Tahani, E. Postek, T. Sadowski // Crystals. ― 2023. ― Vol. 13. ― P. 1‒15.


Дополнительные файлы

Для цитирования: Бесиса Д.Х., Эль-Маддах А.А., Ахмед Я.М., Эвайс Э.М. Оптимизация ключевых параметров, влияющих на спекание и уплотнение SiC/B4Cкерамики для приемников солнечной энергии. Новые огнеупоры. 2025;(3):114-124. https://doi.org/10.17073/1683-4518-2025-3-114-124

For citation: Besisa D.H., El-Maddah A.A., Ahmed Y.M., Ewais E.M. Optimization of key parameters influencing the sintering and densification of SiC/B4C ceramics as solar receiver materials. NOVYE OGNEUPORY (NEW REFRACTORIES). 2025;(3):114-124. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/1683-4518-2025-3-114-124

Просмотров: 42

Обратные ссылки

  • Обратные ссылки не определены.


ISSN 1683-4518 (Print)