Latent heat of a FeSiB phase change material and its interaction with ceramic graphite composites

The aim of this master’s thesis is to expand the knowledge on Fe26Si9B, a silicon based phase change material (PCM) for its potential application in latent heat thermal energy storages (LHTES) systems. The focus of the study is to determine the latent heat and working temperatures of Fe26Si9B, which are crucial parameters for its practical implementation. Fe26Si9B is a near eutectic composition of the Si-Fe-B ternary system constituted of 65 wt% iron, 26 wt% silicon and 9 wt% boron. A critical challenge for the application is the containment in a crucible, as the molten metal is very reactive. To assess the working properties of the PCM, differential scanning calorimetry (DSC) experiments were performed using BN-coated alumina crucibles to prevent reactions. The results showed that the melting reaction occurs between 1222°C and 1250°C and the solidification between 1199°C and 1974°C. The latent heat was found to be 821 ± 92 J/g (or 1279 ± 143 kWh/m3). The interaction between the PCM and various graphite composites, designed for its containment, was investigated using the sessile drop method and electro probe microanalysis (EPMA). Initially, a BN coating layer was tested, demonstrating its low reactivity with the PCM. BN is known for its low reactivity with the PCM. The test revealed that the BN layer acted as a barrier between the substrate and the PCM, holding for 1h at 1500°C. The PCM presented low wettability on the BN coating. The EPMA analysis did not show any reaction between the PCM and the substrate. Then the graphite composite were tested in direct contact with the molten metal. SiC, BN and Si3N4 were added in 2,5 wt% and 10 wt% in the substrates. On the graphite substrate (without any additions) the molten metal reacted forming a shell of SiC both at the interface, as well on top. The addition of SiC promoted the spread of the alloy on the substrate achieve complete wetting, but hindered the formation of the top shell. On the other hand, BN hindered both the spreading and the reactivity between the substrate and the alloy. The wetting angle changes from 45,1° to 69,8° increasing the BN content from 2,5 wt% to 10 wt%. Si3N4 additions showed conflicting results, promoting high spreading (complete wetting) for low additions (2,5 wt%), while higher additions (10 wt%) yielded increased barrier properties.

L'obiettivo di questa tesi di laurea magistrale è quello di studiare ed ampliare le conoscenze sul Fe26Si9B, un materiale a cambiamento di fase (PCM) a base di silicio, per la sua potenziale applicazione nei sistemi di accumulo di energia termica a calore latente (LHTES). L'obiettivo di questo studio è quello di determinare il calore latente e le temperature di lavoro del Fe26Si9B, parametri cruciali per la sua applicazione pratica. Fe26Si9B ha una composizione vicina all'eutettico del sistema ternario Si-Fe-B, costituito da 65 % m/m di ferro, 26 % m/m di silicio e 9 % m/m di boro. Una delle sfide critiche per l'applicazione è il contenimento, poiché il metallo fuso è molto reattivo. Per valutare le proprietà di funzionamento del Fe26Si9B, sono stati eseguiti esperimenti di calorimetria differenziale a scansione (DSC) utilizzando crogioli di allumina rivestiti di BN con uno spray per prevenire eventuali reazioni. I risultati hanno mostrato che la fusione avviene tra 1222°C e 1250°C e la solidificazione tra 1199°C e 1974°C. Il calore latente è risultato pari a 821 ± 92 J/g (o 1279 ± 143 kWh/m3). L'interazione tra il Fe26Si9B e vari compositi ab base di grafite, progettati per il suo contenimento, è stata studiata utilizzando tecnica delle gocce sessili e la microsonda elettronica (EPMA). Inizialmente è stato testato uno strato di rivestimento in BN, che ha dimostrato la sua bassa reattività con il Fe26Si9B. Il test ha rivelato che lo strato di BN ha agito come una barriera tra il substrato e il Fe26Si9B, resistendo per 1h a 1500°C. Il Fe26Si9B fuso ha presentato una bassa bagnabilità sul rivestimento di BN. L'analisi EPMA non ha mostrato alcuna reazione tra il Fe26Si9B e il substrato. Successivamente, i compositi di grafite sono stati testati a contatto diretto con il metallo fuso. SiC, BN e Si3N4 sono stati aggiunti ai substrati in percentuali di 2,5 % m/m e 10 % m/m. Sul substrato di grafite pura (senza ceramiche aggiunte) il metallo fuso ha reagito formando un guscio di SiC sia all'interfaccia che sulla superficie esterna. L'aggiunta di SiC nella grafite ha favorito lo spandibilità della lega sulla superficie del substrato, ottenendo bagnabilità totale e coprendo tutto il substrato, ma ha ostacolato la formazione del guscio di SiC superiore. Il BN ha ostacolato sia l’espansione che la reattività tra il substrato e la lega. L'angolo di bagnatura varia da 45,1° a 69,8° aumentando il contenuto di BN da 2,5 % m/m a 10 % m/m. Le aggiunte di Si3N4 hanno mostrato risultati contrastanti, promuovendo un'elevata spandibilità (bagnabilità totale) per le basse aggiunte (2,5 % m/m), mentre tenori di Si3N4 più alti (10 % m/m) hanno migliorato le capacità di contenimento del composito.