首页> 正文

Mg-Hg-Ga阳极材料合金设计及性能优化

2020-12-07阅读(143)

Mg-Hg-Ga阳极材料合金设计及性能优化

论文摘要

镁阳极材料的电化学性能和耐腐蚀性能主要取决于添加的合金元素和材料的微观组织。针对镁阳极材料普遍存在的溶解不均匀、电流效率低下等问题,选择高活性的合金元素,研究其对镁阳极材料的活化机理,绘制相关的镁合金相图,研究第二相、合金成分和显微组织演变对镁阳极材料性能的影响,对于大功率海水电池用高活性镁阳极材料的成分设计、热处理工艺制定和组织控制具有重要的理论意义和应用价值。本文通过实验测定和相图计算的方法（CALPHAD）确定Mg-Hg-Ga三元系富镁角的相平衡关系,采用显微组织观察和电化学性能检测等方法对合金元素Hg和Ga的活化机理以及第二相、合金成分和热处理工艺对镁阳极材料组织、性能的影响进行了以下研究。1.测定Mg-Hg-Ga三元系富镁角的相平衡关系,优化Mg-Hg-Ga三元系的热力学数据库。采用X射线衍射分析（XRD）、扫描电镜显微分析（SEM）和电子探针成分分析（EPMA）等方法,测定了Mg-Hg-Ga三元系673K和473K富镁角的相关系。利用CALPHAD方法,评估优化了Mg-Ga、Mg-Hg和Ga-Hg三个二元系中各相的热力学参数,在此基础上,根据实验测定的Mg-Hg-Ga三元系相图数据,优化计算Mg-Hg-Ga三元系,获得了一组合理自洽的热力学参数。2.确定Mg-Hg-Ga三元系中化合物Mg21Ga5Hg3的晶体结构。利用X射线粉末衍射和Rietveld峰形拟合法测定和精修了化合物Mg21Ga5Hg3的晶体结构为四方晶系,空间群为141/a（No.88）,Z=4,是Ge8Pd21结构类型。其点阵常数和密度分别为α=14.5391（5）（?）,c=11.5955（4）（?）,Dcalc=4.004g/cm3。3.研究第二相对Mg-Hg-Ga合金性能的影响。利用673K时效处理、SEM显微组织观察和电化学性能检测等方法研究了不同种类和形貌的富镁角第二相Mg3Hg、Mg21Ga5Hg3和Mg5Ga2对Mg-Hg-Ga合金电化学性能和耐腐蚀性能的影响。结果表明:第二相Mg3Hg使合金具有最佳电化学活性,第二相Mg21Ga5Hg3使合金具有最佳耐腐蚀性能;Mg-Hg-Ga阳极材料的相组成选择在Mg+Mg21Ga5Hg3相区、Mg+Mg21Ga5Hg3+Mg3Hg相区和Mg+Mg21Ga5Hg3+Mg5Ga2相区。当3种第二相以颗粒状弥散的分布在镁基体中时,Mg-Hg-Ga合金耐腐蚀性能和电化学活性最佳;当第二相与镁基体形成共晶组织在晶界析出时,Mg-Hg-Ga合金综合性能最差。4.研究合金成分对Mg-Hg-Ga阳极材料性能的影响。通过SEM显微组织观察和电化学性能检测等方法研究了位于不同相区,具有不同w（Hg）:w（Ga）比的Mg-Hg-Ga阳极材料的电化学性能和耐腐蚀性能,结果表明:w（Hg）:w（Ga）比为0.6:1,含有第二相Mg21Ga5Hg3和Mg5Ga2的Mg-4.8%Hg-8%Ga合金具有优良的电化学活性和耐腐蚀性能;w（Hg）:w（Ga）比为1.1:1,含有第二相Mg21Ga5Hg3的Mg-8.8%Hg-8%Ga合金具有最佳的电化学活性。5.研究热处理工艺对Mg-Hg-Ga阳极材料组织和性能的影响。通过DSC分析、TEM显微组织观察和电化学性能检测等方法研究了Mg-4.8%Hg-8%Ga合金和Mg-8.8%Hg-8%Ga合金在773 K固溶,423K、473K和523K时效时微观组织的演变规律,对不同组织的Mg-Hg-Ga阳极材料的综合性能进行了对比。结果表明:性能优良的镁阳极材料为773K固溶24h、523K时效8h的Mg-8.8%Hg-8%Ga合金,动电位极化扫描测得其腐蚀电流密度为3.52 mA/cm2,100mA/cm2恒电流极化时的平均电位为-1.884 V,其显微组织为镁基体和镁基体晶内弥散分布的Mg21Ga5Hg3颗粒。本课题组用该研究成果研制的镁/氯化亚铜海水电池用Mg-Hg-Ga阳极材料,可基本取代国外进口的大功率海水电池用镁阳极材料,现已投入生产。6.探讨Mg-Hg-Ga阳极材料的腐蚀类型和活化机理。通过X射线物相分析、SEM显微组织观察和电化学性能检测研究了Mg-Hg-Ga阳极材料的腐蚀行为和Hg、Ga元素的活化反应特征。结果表明:Mg-Hg-Ga阳极材料的腐蚀类型为点蚀、缝隙腐蚀和全面腐蚀共同存在。Hg、Ga元素对镁阳极的活化机理为溶解-回沉积机制:溶解初期,阴极第二相化合物通过腐蚀原电池反应引发点蚀的出现,促进了Mg基体和合金元素的溶解;放电过程中,溶液中的Hg+、Ga3+被Mg还原成Hg、Ga而沉积在阳极材料表面。沉积层一方面形成镁汞齐,镁汞齐与水发生剧烈反应而继续产生Hg、Ga沉积,此循环促进活化;沉积层另一方面影响阳极表面结构,隔离腐蚀产物,破坏氧化物膜,从而使合金电位负移,点蚀更易引发和扩散,进一步起到活化作用。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 文献综述
  • 1.1 大功率海水电池
  • 1.1.1 海水电池原理及特点
  • 1.1.2 大功率海水电池的应用
  • 1.2 大功率海水电池用阳极材料
  • 1.3 大功率海水电池用镁合金阳极材料
  • 1.3.1 镁合金阳极材料的性能特点
  • 1.3.2 合金元素对镁阳极材料性能的影响
  • 1.3.3 镁合金阳极材料的研究现状
  • 1.3.4 镁合金阳极材料的腐蚀行为
  • 1.3.5 影响镁合金阳极材料腐蚀性能的因素
  • 1.3.6 镁合金阳极材料腐蚀防护技术
  • 1.4 镁合金阳极材料设计与相图
  • 1.4.1 镁合金阳极材料设计的概念和途径
  • 1.4.2 镁合金阳极材料相图的测定
  • 1.4.3 未知相晶体结构的测定
  • 1.4.4 镁合金阳极材料相图计算
  • 1.4.4.1 镁合金阳极材料相图计算的方法
  • 1.4.4.2 镁合金阳极材料相图计算（CALPHAD）的特点
  • 1.5 本文拟研究的主要内容
  • 第二章 Mg-Hg-Ga三元系富镁角673K和473K等温截面的测定
  • 2.1 实验
  • 2.1.1 实验材料与设备
  • 2.1.2 实验过程
  • 2.2 实验结果和讨论
  • 2.2.1 二元相图分析
  • 2.2.1.1 Mg-Ga二元相图
  • 2.2.1.2 Mg-Hg二元相图
  • 2.2.1.3 Ga-Hg二元相图
  • 2.2.2 三元相图分析
  • 2.2.2.1 Mg-Hg-Ga三元系673K富镁角等温截面
  • 2.2.2.2 Mg-Hg-Ga三元系473K富镁角等温截面
  • 21Ga5Hg3晶体结构的测定'>2.2.3 化合物Mg21Ga5Hg3晶体结构的测定
  • 2.2.3.1 显微组织和成分分析
  • 2.2.3.2 结构精修
  • 2.3 本章小结
  • 第三章 Mg-Hg-Ga三元系热力学优化与计算
  • 3.1 实验数据的评估
  • 3.1.1 Mg-Ga二元系实验数据评估
  • 3.1.1.1 实验相图数据
  • 3.1.1.2 实验热力学数据
  • 3.1.2 Mg-Hg二元系实验数据评估
  • 3.1.2.1 实验相图数据
  • 3.1.2.2 实验热力学数据
  • 3.1.3 Ga-Hg二元系实验数据评估
  • 3.1.3.1 实验相图数据
  • 3.1.3.2 实验热力学数据
  • 3.1.4 Mg-Hg-Ga三元系实验数据评估
  • 3.2 热力学模型
  • 3.3 计算结果与讨论
  • 3.3.2 Mg-Ga二元系
  • 3.3.3 Mg-Hg二元系
  • 3.3.4 Ga-Hg二元系
  • 3.3.5 Mg-Hg-Ga三元系
  • 3.4 本章小结
  • 第四章 第二相对Mg-Hg-Ga合金性能的影响
  • 4.1 实验
  • 4.2 673 K时效1 h后第二相对Mg-Hg-Ga合金性能的影响
  • 4.2.1 673K时效1 h后Mg-Hg-Ga合金显微组织
  • 4.2.2 673K时效1 h后第二相对Mg-Hg-Ga合金耐腐蚀性能的影响
  • 4.2.3 673K时效1 h后第二相对Mg-Hg-Ga合金电化学性能的影响
  • 4.3 673K时效24 h后第二相对Mg-Hg-Ga合金性能的影响
  • 4.3.1 673K时效24 h后Mg-Hg-Ga合金显微组织
  • 4.3.2 673K时效24 h后第二相对Mg-Hg-Ga合金耐腐蚀性能的影响
  • 4.3.3 673K时效24 h后第二相对Mg-Hg-Ga合金电化学性能的影响
  • 4.4 673K时效200 h后第二相对Mg-Hg-Ga合金性能的影响
  • 4.4.1 673K时效200 h后Mg-Hg-Ga合金显微组织形貌
  • 4.4.2 673K时效200 h后第二相对Mg-Hg-Ga合金耐腐蚀性能的影响
  • 4.4.3 673K时效200 h后第二相对Mg-Hg-Ga合金电化学性能的影响
  • 4.5 第二相对Mg-Hg-Ga合金电极反应动力学的影响
  • 4.6 热力学计算第二相对Mg-Hg-Ga合金电化学性能的影响
  • 4.7 本章小结
  • 第五章 Mg-Hg-Ga阳极材料合金设计及活化机理研究
  • 5.1 实验
  • 5.2 合金成分对镁阳材料显微组织的影响
  • 5.3 合金成分对镁阳极材料电化学性能的影响
  • 5.4 合金成分对镁阳极材料耐腐蚀性能的影响
  • 5.4.1 合金成分对镁阳极材料析氢腐蚀性能的影响
  • 5.4.2 合金成分对镁阳极材料电化学腐蚀性能的影响
  • 5.5 合金成分对镁阳极材料电极反应动力学的影响
  • 5.6 Mg-Hg-Ga阳极材料腐蚀行为分析
  • 5.7 Mg-Hg-Ga阳极材料合金元素活化机理
  • 5.7.1 镁与合金元素的溶解过程
  • 5.7.2 合金元素的沉积过程
  • 5.7.3 合金元素的活化机理
  • 5.8 本章小结
  • 第六章 Mg-Hg-Ga阳极材料性能优化
  • 6.1 实验
  • 6.1.1 实验材料与设备
  • 6.1.2 实验过程
  • 6.2 均匀化处理对Mg-Hg-Ga阳极材料显微组织的影响
  • 6.3 时效处理对Mg-Hg-Ga阳极材料显微组织的影响
  • 6.3.1 时效时间对Mg-4.8%Hg-8%Ga合金显微组织的影响
  • 6.3.2 时效温度对Mg-4.8%Hg-8%Ga合金显微组织的影响
  • 6.3.3 时效时间对Mg-8.8%Hg-8%Ga合金显微组织的影响
  • 6.3.4 时效温度对Mg-8.8%Hg-8%Ga合金显微组织的影响
  • 6.4 时效处理对Mg-Hg-Ga阳极材料电化学性能的影响
  • 6.4.1 时效处理对Mg-4.8%Hg-8%Ga合金电化学性能的影响
  • 6.4.2 时效处理对Mg-8.8%Hg-8%Ga合金电化学性能的影响
  • 6.5 时效处理对Mg-Hg-Ga阳极材料耐腐蚀性能的影响
  • 6.5.1 时效处理对Mg-4.8%Hg-8%Ga合金耐腐蚀性能的影响
  • 6.5.2 时效处理对Mg-8.8%Hg-8%Ga合金耐腐蚀性能的影响
  • 6.6 研究成果的应用
  • 6.7 本章小结
  • 第七章 结论
  • 参考文献
  • 附录
  • 致谢
  • 攻读学位期间的主要研究成果

    • 相关论文文献

    • [1].微生物燃料电池中阳极材料的研究进展[J]. 工业水处理 2020(03)
    • [2].微生物燃料电池碳基阳极材料的研究进展[J]. 工程科学学报 2020(03)
    • [3].微生物燃料电池阳极材料修饰研究进展[J]. 水处理技术 2017(03)
    • [4].热电池阳极材料锂硼合金研究进展[J]. 材料导报 2017(S1)
    • [5].含硫活性镍在镀镍阳极材料中的研究[J]. 云南化工 2020(10)
    • [6].湿法冶金中新型铅基阳极材料的研究进展[J]. 材料导报 2016(19)
    • [7].轻轻松松学“电解”[J]. 中学生数理化(自主招生) 2020(03)
    • [8].电合成丁二酸中阳极材料的选用[J]. 安徽科技 2012(02)
    • [9].固体氧化物燃料电池CeO_2基阳极材料的研究进展[J]. 陶瓷学报 2015(05)
    • [10].Pb-0.3%Ag/Pb-CeO_2复合阳极材料电化学性能[J]. 稀有金属材料与工程 2014(08)
    • [11].电流密度对制备PbO_2-CeO_2-ZrO_2复合阳极材料的影响[J]. 材料科学与工程学报 2013(05)
    • [12].CeO_2对PbO_2-CeO_2-ZrO_2阳极材料的影响[J]. 兵器材料科学与工程 2013(04)
    • [13].低温燃料电池催化剂阳极材料的研究近况[J]. 南方金属 2009(04)
    • [14].碳基固体氧化物燃料电池阳极材料的研究[J]. 焦作大学学报 2011(01)
    • [15].三价铬电镀阳极材料的应用与研究进展[J]. 电镀与环保 2011(03)
    • [16].碱性铝电池阳极材料的研究进展[J]. 矿产保护与利用 2013(01)
    • [17].合金化及热处理对镁合金阳极材料组织及性能的影响[J]. 中国有色金属学报 2009(01)
    • [18].铝棒低银铅合金表面陶瓷化复合阳极的制备与性能[J]. 工程科学学报 2019(10)
    • [19].染料敏化太阳能电池阳极材料-TiO_2专利技术分析[J]. 河南科技 2015(24)
    • [20].固体氧化物燃料电池阳极材料综述[J]. 科技创新导报 2014(08)
    • [21].纵向磁场下真空电弧中阳极烧蚀过程的实验及仿真研究综述[J]. 高电压技术 2019(07)
    • [22].含有机物水溶液电解体系中的阳极材料及其失效特性[J]. 中国腐蚀与防护学报 2015(03)
    • [23].微生物燃料电池对磺胺间甲氧嘧啶的降解研究[J]. 农业环境科学学报 2020(03)
    • [24].固体氧化物燃料电池阳极材料的抗积炭方法[J]. 工业催化 2018(10)
    • [25].固体氧化物燃料电池阳极材料Ni-SDC的制备及性能研究[J]. 吉林化工学院学报 2012(11)
    • [26].电池用铝合金阳极材料的研究进展[J]. 船电技术 2008(06)
    • [27].天然生物质制备高性能微生物燃料电池阳极研究[J]. 水处理技术 2020(11)
    • [28].SOFC阳极材料的研究现状与分析[J]. 电源技术 2012(07)
    • [29].Mg-6%Al-5%Pb阳极在3.5%NaCl溶液中的腐蚀行为[J]. 电源技术 2016(10)
    • [30].固体氧化物燃料电池阳极材料研究进展[J]. 陶瓷学报 2011(03)

    标签：;  ;  ;  ;  ;  ;  

    Mg-Hg-Ga阳极材料合金设计及性能优化
    下载Doc文档

    猜你喜欢

    © 2024 毕速过 版权所有 鄂ICP备12018319号-5