Mg-xNi-yCu-3La(x=5,10,15,20at%;y=0,5,10at%)合金的显微组织与储氢性能研究
Microstructures and Hydrogen Storage Properties of Mg-xNi-yCu-3La(x=5,10,15, 20at%;y=0,5,10at%) Alloys
氢能被认为是未来能源结构中最具发展潜力的清洁能源之一,而氢气的储存是氢能使用的关键环节.镁基储氢材料以其价格低廉、储量丰富、储氢量高(Mg: 7.6 wt%,Mg2NiH4:3.6 wt%)等优点,引起了人们极大的研究兴趣.但材料吸放氢动力学性能差,热力学稳定性高等缺点限制了其实际应用.本文在纯镁中添加了具有良好催化作用的Ni、La元素,设计并采用简单高效的真空感应熔炼法制备了Mg-xNi-3La (x=5,10,15,20 at%)系三元合金.在Mg-20Ni-3La合金中添加Cu取代部分Ni,设计并制备了Mg-(20-y)Ni-yCu-3La (x= 5,10 at%)系四元合金.对其中的Mg-5Ni-3La合金采用熔体快淬工艺,分别以25m/s和11m/s的甩带速度制备非晶纳米晶合金,并与铸态合金对比,研究了不同显微组织对材料储氢性能的影响.采用ICP分析合金成分,XRD分析物相结构,SEM和TEM观察合金微观形貌,PCT性能测试仪研究材料的储氢性能.对已测定的PCT数据,通过van'tHoff曲线图计算出材料氢化物形成焓;对测得的吸放氢动力学数据,通过JMA与Arrhenius方程计算活化能.论文研究了Ni含量对Mg-xNi-3La (x=5,10,15,20 at%)系铸态合金显微组织和储氢性能的影响.合金的储氢容量为4.51~5.50 wt%,主要吸氢相为Mg与Mg2Ni,对应氢化后产物为MgH2与Mg2NiH4.Ni含量增加使合金中Mg吸氢相逐渐减少,Ni吸氢相逐渐增多,最大吸氢量逐渐减少.Mg-Ni-La系合金都具有很好的放氢动力学性能.这是因为合金中Mg2Ni的催化作用以及共晶组织中大量相边界可作为氢原子的快速扩散途径.随合金中Ni含量逐渐增多,合金的放氢速率呈先增快后减慢的趋势,Mg-15Ni-3La合金具有最佳的放氢动力学性能,是因为其具有最佳比例的Mg2Ni与共晶组织含量.论文研究了Cu部分取代Ni对Mg-(20-y)Ni-yCu-3La (y=5,10 at%)系合金显微组织和储氢性能的影响.合金储氢量约为4.2 wt%,主要吸氢相为Mg与Mg2(Ni+Cu),对应氢化后产物为MgH2与Mg2NiH4、(MgH2+MgCu2).Cu部分取代Ni不改变合金中自由态Mg的热力学性能,但Cu可溶解于Mg2Ni中,使Mg2Ni晶格扭曲膨胀.Mg2(Ni+Cu)的氢化物形成焓显著降低(-56.05→-33.71 kJ·mol-1H2),合金热力学性能得到改善.快速凝固法制备的非晶纳米晶Mg-5Ni-3La合金晶粒尺寸显著减小,比表面与晶界增加,氢原子的扩散路径变短,有利于形核与氢扩散,具有更好的吸放氢动力学性能.纳米晶合金储氢量最高,吸放氢动力学最佳,综合储氢性能最好.
- 作者：
- 吕玉洁
- 学位授予单位：
- 钢铁研究总院
- 专业名称：
- 材料物理与化学
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2015年
- 导师姓名：
- 武英
- 中图分类号：
- TG146.22；TG139.7
- 关键词：
- 镁基合金；Cu取代Ni；储氢性能；快速凝固；显微组织
- Mg-based alloys; Cu substitution for Ni; Hydrogen storage properties; Rapid solidification; Microstructure;