元素替代对Y系AB2型储氢合金结构和性能的影响研究

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1、硕士学位论文元素替代对Y系AB2型储氢合金结构和性能的影响研究作者姓名庞浩良学科专业材料加工工程指导教师朱敏教授所在学院材料科学与工程论文提交日期2018年4月AlloyingsubstitutiononstructureandpropertiesofYbasedAB2hydrogenstoragealloysADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：PangHaoliangSupervisor：Prof.ZhuMinSouthChinaUniversityofTechnologyGuangz

2、hou,China分类号zTGl学校代号：10561学号：201520115940华南理工大学硕士学位论文元素替代对Y系AB2型储氢合金结构和性能的影响研究作者姓名：庞浩良指导教师姓名、职称：朱敏教授申请学位级别：工学硕士学科专业名称：材料加工工程研究方向：纳米功能材料（储氢材料）论文提交日期：2018年4月20日论文答辩日期：2018年6月4日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日::;ivri--扫义�；�摘要AB2型稀土储氢合金具有较高的储氢容量和优良的常温吸氢性能，在能源转换与存储、化工、电子、宇航等民用和军事领域上获得广泛的应用。然而，

3、大多数稀土系AB2型储氢合金（如稀土-铁、稀土-钴和稀土-镍体系等）的吸氢过程通常伴随着氢致非晶化和歧化效应，导致其可逆储氢性能差，阻碍其进一步的商业化应用。本论文以Y基稀土AB2型储氢材料为基础，通过A/B侧合金元素替代，调控合金的晶格参数和电子浓度，以期获得高性能的AB2型稀土储氢材料。本文采用电弧熔炼、高温退火以及破碎等手段制备得到合金粉末；运用XRD、SEM、EDS等测试技术对储氢合金进行相结构和成分表征，并基于体积法测试材料的储氢热力学与动力学性能，对部分合金还进行了第一性原理计算，以深入分析合金元素的作用。主要研究结论如下：本文首先对YFe2

4、合金进行了A侧Zr元素的部分替代，所得Y-Zr-Fe合金在退火、吸氢后和脱氢后的状态下均保持立方C15的单相结构，消除了YFe2合金吸氢过程中的氢致非晶化和歧化效应。随着Zr含量的增加，Y-Zr-Fe合金的晶格参数和吸氢量均有下降，但脱氢平衡压有所提升，有利于其脱氢容量的提高。所制备的Y-Zr-Fe合金具有良好的循环吸氢性能，多次吸氢后储氢量虽有少量衰减，但最终几乎保持恒定。其中Y0.9Zr0.1Fe2合金显示出最大的初始吸氢量，为1.87wt.%，而Y0.5Zr0.5Fe2合金表现出最大的脱氢量，为1.26wt.%。通过实验分析和氢化物结合能的第一性原

5、理计算，得出Y-Zr-Fe合金的脱氢热力学改善与晶胞中四面体间隙减小有关。在Y-Zr-Fe合金基础上，进一步研究了A侧（Ti）和B侧（Co）替代对合金相结构和储氢性能的影响。研究发现，Co部分替代Fe的Y-Zr-Fe-Co四元合金体系仍能维持C15单相结构，吸/放氢过程也能保持结构稳定。随着Co含量的增加，合金晶格参数和吸氢量均有下降，合金在相同温度条件下脱氢量比Y-Zr-Fe体系有所下降。在Ti部分替代Y的Y-Zr-Ti-Fe体系中则发现，尽管合金主相仍为C15单相，但Ti并不能有效地替代A侧Y元素，存在不吸氢的第二相，导致Y-Zr-Ti-Fe合金储氢

6、性能不如同成分的Y-Zr-Fe体系。分别对YFe2合金进行B侧Mo元素和A侧Zr元素替代。研究发现Mo替代能有效抑制YFe2的氢致非晶化和歧化效应，吸氢容量高，但脱氢平衡压非常低，脱氢量降低，I只有。而A侧Zr替代量达到30%时，合金吸氢仍然出现非晶化现象，分析得出Y-Zr-Ni体系不能可逆吸放氢的原因与过小的四面体间隙有关。关键词：储氢材料；YFe2；Laves相；合金化；脱氢平衡压IIAbstractBecauseofrelativelyhighhydrogenstoragecapacityandexcellenthydrogenabsorption

7、propertiesatroomtemperature,theAB2-typerareearthhydrogenstoragealloysarewidelyusedinenergyconversionandstorage,chemical,electronic,aerospaceandothermilitaryandcivilfields.However,fortherare-earthbasedAB2-typehydrogenstoragealloys,suchasrareearths-ironsystem,rareearth-cobaltandrar

8、eearth-nickelsystem,etc.,thehydrogen-ind