【引言】

提高渦輪機入口溫度可有效地提高集中式太陽能發電的熱電效率，但這需要改善換熱器材料。通過使用閉式循環高壓超臨界二氧化碳（sCO₂）再壓縮循環操作入口溫度高于1023K的渦輪機，而不是使用入口溫度低于823K的常規循環渦輪機，相對熱量 - 電力轉換效率可提高20％以上。然而，閉式循環高壓sCO₂渦輪系統的入口溫度受緊湊熱交換器的熱機械性能的限制。 相對于目前的金屬合金基換熱器，本文提供一種可以經濟地制造具有增強的高溫破壞強度，導熱性和耐腐蝕性的換熱器材料。

【成果簡介】

美國普渡大學K. H. Sandhage（通訊作者）在Nature上發表一篇題為“Ceramic–metal composites for heat exchangers in  concentrated solar power plants”的文章。本文提供了一種新的ZrC/W復合材料，用于印刷電路型熱交換器（>1023K）。并且提供了一種經濟的制造該復合材料的方法。可通過多孔碳化鎢板的形狀和尺寸保持化學轉化，制造具有可調通道圖案的ZrC/W基換熱板，實現在1073K時表現出超過350MPa的破壞強度，并且在該溫度下熱導率值比鐵或鎳基合金的熱導率值高兩到三倍。通過將銅層粘合到復合材料表面并向sCO₂中添加50ppm的一氧化碳，實現了在1023K和20MPa下對sCO₂的耐腐蝕性。

【圖文導讀】

圖一 致密，含通道圖案的ZrC/W板

(a) 多孔剛性WC預成型板

(b-c) 預制件的斷裂橫截面的二次電子圖像以及XRD

(d) 活性Zr₂Cu滲透到多孔WC預制件

圖二 含Cu的ZrC/W復合材料在1,023 K下對緩沖的超臨界含CO/CO2的流體的耐腐蝕性

(a) ZrC/W轉化樣品的Cu包封的圖示。

(b) 暴露于sCO₂流體(含50 p.p.mCO)Cu包封的ZrC/W樣品，實驗條件：1023K，1000h，20MPa

圖三 計算出的印刷電路型換熱器的功率密度

文獻鏈接：

Ceramic–metal composites for heat exchangers in  concentrated solar power plants(Nature, 2018, DOI:10.1038/s41586-018-0593-1)