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体心立方固溶体中的“团簇加连接原子”模型及其在Ti-Cr-V基储氢合金设计上的应用

作　者: 郝传璞
导　师: 董闯；王清
学　校: 大连理工大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: BCC固溶体 "团簇加连接原子"模型 团簇堆垛 成分设计 储氢合金
分类号: TG139.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 66次
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内容摘要


氢能作为将来替代化石能源的重要能源,需要行之有效的储存介质。利用储氢材料储运是氢能利用中的重要一环。和其它金属储氢合金相比,具有体心立方结构(BCC)的固溶体储氢合金理论储氢量大,室温吸放氢速度快,安全性高。然而多元合金化给探索高性能固溶体的成分带来了困难,目前基本都是依赖于大量的实验探索。固溶体合金中溶质原子排列为化学短程有序,可以用局域配位多面体(团簇)来描述溶质组元与基体金属之间的交互作用。因此可将非晶研究中的团簇理论应用于BCC结构固溶体上,其形式同样为团簇之间紧密堆垛,其堆垛间隙由连接原子填充,建立起“团簇加连接原子”结构模型。本文对BCC结构的“团簇加连接原子”模型进行了详细研究,深入讨论了团簇的空间分布形式,给出了团簇成分式：[团簇](连接原子)x；对于具体合金体系,可根据组元之间的混合焓来确定在团簇结构模型中组元的具体占位,最终得到具体的成分配比。以团簇模型为依据,对Ti-Cr-V基BCC固溶体储氢合金进行了结构分析和成分设计,获得了低成本高性能的合金成分。主要结论如下：(1)在BCC点阵中,团簇堆垛的紧密程度直接决定连接原子x的个数,这可通过团簇之间的位置矢量关系表示。结果表明某团簇周围晶向族1/2<3 3 1>、1/2<4 2 0>、1/2<4 2 2>、1/2<3 3 3>、1/2<5 1 1>代表的点阵位置与非晶中原子球周期分布所描述的近邻团簇位置相近似,故将这些晶向族对应的位置矢量选为基础位置矢量集；基础位置矢量的搭配和加和组成整个团簇的空间形式。当团簇堆垛按简单周期单胞的形式表达整个空间时,就由基础位置矢量集定义出单胞的基矢,且单胞大小直接体现出团簇堆积的紧密程度。团簇堆垛紧密程度由高到低时,所需连接原子个数将从x=0起逐渐增多,当x≥3时,连接原子个数相同时也会对应不同的团簇堆垛构型。连接原子数x=0-6所对应的团簇堆垛构型数依次为1(x=0)、1(x=1)、1(x=2)、2(x=3)、2(x=4)、5(x=5)、7(x=6)。当连接原子更多时,就不能用简单的团簇模型进行描述,需要以结构相对复杂的团簇堆垛来描述溶质组元的分布。(2)为直观体现溶质原子之间的排布关系,我们利用基础位置矢量集考察某团簇周围的近邻团簇分布,并以此引入超团簇。当不考虑周期约束时,根据密排均匀原则从基础位置矢量集中选取团簇位置来搭配超团簇结构,利用程序运算穷举所有可能,得出了21种可拓展至空间的一级超团簇。按照相互匹配套用超团簇的方法可拓展得到空间团簇群,以程序执行拓展得到一系列二、三级超团簇构型,并对三级超团簇进行统计分类,结果表明团簇堆垛概率最高的连接原子比例为x=1.5和x=6。通过对全部三级超团簇结果进行各个局部位置一级超团簇的分类统计,得出了最大概率的两种超团簇,其对应的团簇之间位置关系分别以较短位置矢量(晶向族1/2<3 3 1>、1/2<4 2 0>)和较长位置矢量(晶向族1/2<4 2 2>、1/2<5 1 1>)为主。这些拓扑几何运算需要结合能量分析来确定溶质原子之间的分布。(3)对周期结构模型的研究表明1：1团簇结构模型[团簇](连接原子)1显示出最大程度的连接原子的分散性,从而可形成连接原子元素最有效的合金化方式。由此,我们研究了Ti-Cr-V基BCC固溶体储氢合金的成分设计,以获取低V含量(连接原子)的高储氢性能的合金成分,降低合金成本。在Ti-Cr-V和Ti-Cr-V-Fe合金体系中,利用团簇结构模型分别设计了[Ti1(Cr8Ti6)]Vx和[Fe,(Ti8Cr6)]Vx合金系列,采用真空铜模吸铸快冷工艺制备合金,并对其结构分析和在不同温度下进行吸放氢测试。结果表明低V含量的Ti7Cr8V1和Fe1Ti8Cr6V1BCC固溶体合金储氢性能较好,最大吸氢量都在3.80wt%以上,且在333K下分别具有1.8wt%和1.6wt%的放氢量。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-10
1 绪论  10-18
  1.1 储氢合金的发展现状  10-15
    1.1.1 储氢合金概述  10-12
    1.1.2 储氢合金热力学原理  12-13
    1.1.3 BCC固溶体储氢合金研究现状  13-15
  1.2 固溶体合金中的化学短程序  15-16
  1.3 选题意义及本课题研究内容  16-18
    1.3.1 选题意义  16-17
    1.3.2 主要研究内容  17-18
2 团簇加连接原子模型成分设计思想  18-43
  2.1 团簇理论概述和BCC结构中的团簇选择  18-20
  2.2 团簇的堆垛形式  20-40
    2.2.1 团簇之间的位置矢量关系  20-22
    2.2.2 团簇周期堆垛形式  22-26
    2.2.3 团簇与团簇之间的近邻关系  26-32
    2.2.4 超团簇的重复套取长大  32-39
    2.2.5 1:1团簇模型的极限意义  39-40
  2.3 Ti-Cr-V系储氢合金的团簇模型设计思路  40-43
3 实验方法  43-47
  3.1 样品制备  43-44
  3.2 合金组织分析方法  44
  3.3 X射线衍射分析(XRD)  44
  3.4 合金储氢性能测试  44-46
  3.5 差热分析(DTA)  46-47
4 实验结果与讨论  47-62
  4.1 Ti-Cr-V系列固溶体合金  47-48
  4.2 Fe-Ti-Cr-V系列固溶体合金  48-54
    4.2.1 XRD检测分析  49
    4.2.2 金相显微组织形貌  49-51
    4.2.3 差热分析结果  51-52
    4.2.4 PCT吸放氢性能测试  52-54
    4.2.5 循环吸放氢测试  54
  4.3 Nb、Mo、Al对Ti-Cr-V系列固溶体合金的合金化  54-61
    4.3.1 Nb替换Ti的合金化  54-56
    4.3.2 Mo替换V的合金化  56-58
    4.3.3 轻质元素Al替代体系中的Fe  58-61
  4.4 实验结果小结  61-62
结论  62-64
参考文献  64-67
附录A 紧密均匀超团簇坐标运算  67-74
附录B 二级至三级超团簇拓展  74-79
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  79-80
致谢  80-81

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属学与热处理 > 合金学与各种性质合金 > 其他特种性质合金 > 储氢合金
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