Cu对过共晶Mg-Ni合金组织与储氢性能的影响及动力学分析

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhangkai198610
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镁(Mg)基储氢合金作为未来理想的贮氢材料,以其在吸放氢量及成本等方面的优势于众多贮氢合金中脱颖而出。本文首先对储氢合金的分类进行简要概述,对Mg基储氢合金的制备方法以及性能特点进行了详细的阐述。在已研究的Mg系储氢合金中,纯Mg基合金具有很高的质量吸氢量,最高理论吸氢量能够达到7.66 wt%,Mg2Ni基储氢合金相比于Mg基储氢合金具有较好的动力学性能,但储氢量有所下降,为3.62 wt%。针对于两种基体储氢合金的各自特点,本文就研究相对较少的富Mg2Ni基的过共晶Mg40Ni10合金进行研究,实验部分采用B侧元素Cu对Ni进行取代。首先采用熔铸法制备了铸态Mg40Ni10-xCux(x=0,2,4,6)合金,利用扫描电子显微镜(SEM)、能谱(EDS)、X射线衍射(XRD)等分析方法对合金的微观组织结构及相构成进行分析,发现Mg40Ni10铸态组织由粗大的Mg2Ni初生相与片层状的Mg-Mg2Ni共晶组成,Cu的加入改变了组织形貌,使得初生相长大,共晶组织由片层状向板条状、棒状转变。对铸态合金运用行星式球磨机进行球磨粉碎,采用Sieverts体积法对合金的活化性能进行了比较,分别对200、225、250、275℃的储氢量、动力学性能进行测试。结果显示,Mg40Ni10合金具有良好的活化性能,Cu取代Ni使得活化性能变差,少量的Cu取代可以提高合金的储氢性能,随着取代量的增加储氢效率增加,Mg40Ni8Cu2的最大储氢量可达5.57 wt%,高于过共晶Mg-Ni合金,Cu的加入对合金的放氢动力学性能也有明显的促进作用。对吸放氢过程中的组织演变进行了测试分析,发现放氢过程出现了Mg2NiH4的中间产物Mg2Ni H0.3相,而且在实验温度与氢压下,吸收的H2无法完全放出。并对氢化物的分解温度进行了DSC分析,发现相比于纯MgH2具有更低的分解温度。为了进一步研究Mg40Ni10-xCux合金的反应动力学性能,分别采用Jander扩散模型(JDM)、Chou模型、核收缩模型(SCM)、JMAK模型对Sieverts法测得的动力学数据进行拟合,通过拟合结果的优度判断模型的适用程度,并分析了控制宏观吸放氢反应速率的机理,发现Mg40Ni10-xCux合金的氢化反应由多个步骤共同影响。而对于放氢反应,H的扩散为制约反应速率的主要因素,并利用Van’t Hoff关系分别计算出了各合金的吸、放氢反应的活化能。由于不同的模型在进行数据处理时都进行了一定的简化,导致部分数据拟合计算的结果并不能让人满意,因此本文在分析不同模型各自特点的同时,针对模型存在的问题,对部分模型进行了修正。对修正后的模型再次进行动力学拟合,结果显示修正后的模型相比于传统的模型具有更高的拟合优度,因此修正后的模型具有更广泛的适用性。
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