隨著當今全球經(jīng)濟、工業(yè)以及科技突飛猛進地發(fā)展,世界各國的能源和環(huán)境問題也日趨嚴重,因此大力發(fā)展新型清潔能源成為了世界各國解決當前所面臨問題的重要手段之一。近年來國內外眾多研究者開始致力于可溶鋁合金水解制氫技術的研究,研究者們對于鋁合金的成分設計從最初的Al-Ga、Al-In和Al-Sn二元合金,到Al-In-Sn和Al-Ga-In三元合金,再到Al-Ga-In-Sn四元合金,并且發(fā)現(xiàn)Al-Ga-In-Sn四元合金相對于二元、三元合金具有更高的產氫量和更快的產氫速率,且隨著合金中Al含量逐漸增加,合金的產氫性能也逐漸增強。關于鋁水反應的發(fā)生機理,研究者們認為其不僅與合金中存在的Ga-In-Sn共晶相有關,還與合金中存在的InSn_4相和In_3Sn相有關。然而目前還未有通過將合金中In:Sn成分專門調配為1:4和3:1來制備合金并研究其含量和分布對合金性能的影響。第一性原理計算方法能夠通過模擬材料的微觀尺度,對材料的電子結構、力學性質以及各種缺陷性質等進行預測和分析,目前也有不少學者將該方法應用到研究合金材料的元素成分及含量配比中,從而為合金材料的制備提供理論上的指導。因此,本課題一方面在保證合金中鋁含量盡可能最大化的前提下,通過調控合金成分配比來制備活性可溶鋁合金,并研究其對產氫性能的影響,另一方面則利用第一性原理計算來模擬研究合金中所形成的固溶體和第二相的各項性能,通過將理論計算結果與實驗結果相結合,探索分析合金中固溶體和第二相含量及分布對各項性能的影響,并為提高可溶合金的產氫性能提供新的方法。本文利用熔煉澆鑄法制備不同合金元素配比的Al-Ga-In-Sn(In:Sn=3:1)系和Al-Ga-In-Sn(In:Sn=1:4)系兩組四元鋁合金試樣,利用X射線衍射儀、掃描電鏡及能譜儀、差示掃描量熱儀、納米壓痕儀對合金的微觀組織形貌、相組成、熔點以及力學性能進行了測試分析;利用搭建的鋁水反應測試系統(tǒng)對合金的產氫量和產氫速率進行了測試,研究了不同合金元素配比、第二相分布、鋁晶粒尺寸和反應溫度對產氫性能的影響,同時分析了合金發(fā)生鋁水反應的機理;利用第一性原理計算分析鋁合金中形成的固溶體和第二相的電子結構、熱力學性能以及力學性能,并將實驗結果與理論計算結果相結合,探索固溶體和第二相含量及分布對Al-Ga-In-Sn四元可溶鋁合金性能的影響。論文的主要研究結果如下:Al-Ga-In-Sn(In:Sn=3:1)系合金中均形成了Al(Ga)固溶體和In_3Sn相,成分為Al-5Ga-3.75In-1.25Sn合金的產氫性能相對較好;Al-Ga-In-Sn(In:Sn=1:4)系合金組織中形成了Al(Ga)固溶體和InSn_4相,成分為Al-3Ga-1.4In-5.6Sn合金的產氫性能相對較好;合金中鋁晶粒尺寸越小,合金的產氫性能越好;合金中Ga、In、Sn含量過低會導致合金的產氫量和產氫速率下降;鋁水反應溫度降低會導致合金的產氫量和產氫速率下降;Sn比In具有更高的反應活性,合金成分中Sn的含量高于In,會使合金與水反應時的活性增強,反應速率加快。第一性原理計算分析Al_(0.95)Ga_(0.05)固溶體和In_3Sn相的晶體性質表明Ga在Al中的固溶使合金的穩(wěn)定性降低、韌性減弱、各向異性程度增大,但使合金的硬度、抗壓縮、抗切應變以及抗形變性能提高;In_3Sn相表現(xiàn)為脆性且沿弱鍵方向上存在發(fā)生脆性斷裂的可能,同時還存在明顯的各向異性,其力學性能相較于Al_(0.95)Ga_(0.05)固溶體而言差一些,并且與納米壓痕測試結果中In_3Sn相的硬度和彈性模量均低于Al(Ga)固溶體相吻合;同時驗證了所制備的合金中因為低熔點相的存在而變得更脆,力學性能變差。
【學位單位】：西安石油大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：TG146.21
【部分圖文】：

第一章緒論5準狀態(tài)下，1g純鋁與水發(fā)生反應的產氫量約為1245ml。對于低熔點合金，依據(jù)Al-Ga相圖（如圖1-1），鎵金屬的熔點僅為29.77℃，因此鎵很容易溶解于鋁中從而形成Al-Ga合金，該合金能夠在略高于室溫的水中發(fā)生水解反應并產生氫氣[18,19]。銦金屬屬于電極電位較高的一類金屬，其能夠和鋁形成Al-In合金并且能夠在反應溶液中形成微原電池，從而發(fā)生腐蝕析氫反應來制取氫氣。錫金屬能夠與鋁形成Al-Sn偏析合金，其二元相圖如圖1-2所示，大量的Sn游離在Al晶格周圍，導致鋁合金產生熱不穩(wěn)定性，從而提高了合金的電化學活性，Sn進入鋁表面氧化膜的缺陷或縫隙處與鋁形成合金，從而使氧化膜發(fā)生分離，此外，由于錫的電極電位高于鋁的電極電位，存在于鋁表面的錫也能夠與鋁形成微原電池，從而發(fā)生腐蝕析氫反應[20]。圖1-1Al-Ga二元相圖圖1-2Al-Sn二元相圖

第一章緒論5準狀態(tài)下，1g純鋁與水發(fā)生反應的產氫量約為1245ml。對于低熔點合金，依據(jù)Al-Ga相圖（如圖1-1），鎵金屬的熔點僅為29.77℃，因此鎵很容易溶解于鋁中從而形成Al-Ga合金，該合金能夠在略高于室溫的水中發(fā)生水解反應并產生氫氣[18,19]。銦金屬屬于電極電位較高的一類金屬，其能夠和鋁形成Al-In合金并且能夠在反應溶液中形成微原電池，從而發(fā)生腐蝕析氫反應來制取氫氣。錫金屬能夠與鋁形成Al-Sn偏析合金，其二元相圖如圖1-2所示，大量的Sn游離在Al晶格周圍，導致鋁合金產生熱不穩(wěn)定性，從而提高了合金的電化學活性，Sn進入鋁表面氧化膜的缺陷或縫隙處與鋁形成合金，從而使氧化膜發(fā)生分離，此外，由于錫的電極電位高于鋁的電極電位，存在于鋁表面的錫也能夠與鋁形成微原電池，從而發(fā)生腐蝕析氫反應[20]。圖1-1Al-Ga二元相圖圖1-2Al-Sn二元相圖

Al-Ga合金提高了大約9倍。與此同時，他們還表明了Al-Ga-In-Sn四元合金發(fā)生鋁水反應的機理：合金中的低熔點金屬間形成了熔點很低的Ga-In-Sn共晶相（Ga-In-Sn三元相圖如圖1-3所示），合金中的鋁一部分存在于該共晶相中，一部分存在于晶粒中，共晶相中的鋁優(yōu)先與水發(fā)生反應而被消耗，為了彌補被消耗的鋁，存在于晶粒中的鋁則開始不斷向共晶相中擴散，如此反復循環(huán)與水發(fā)生反應，直至消耗完合金中所有的鋁。由此可以看出，該低熔點共晶相不僅能夠阻止鋁表面上致密氧化膜的生成，而且還能夠作為擴散介質使鋁不斷地向液相中擴散。圖1-3Ga-In-Sn三元相圖由于鎵金屬和銦金屬的價格比較昂貴，考慮到這一高成本問題，中國科學院沈陽金屬研究所的汪偉[22-24]等人通過提高合金中鋁含量、同時僅添加少量的低熔點合金的方式，在高純氬氣保護下，采用電弧熔煉制備了94wt.%Al-3.8wt.%Ga-1.5wt.%In-0.7wt.%Sn富鋁四元合金，并對合金的微觀組織、晶界相熔點、動力學參數(shù)以及產氫機理做了進一步的研究和分析，研究表明：94wt.%Al-3.8wt.%Ga-1.5wt.%In-0.7wt.%Sn合金中存在Al（Ga）固溶體和覆蓋在晶粒表面的Ga-In-Sn第二相，利用DSC測得合金中Ga-In-Sn相的熔點
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本文編號：2858983