离散结构表面复合金属氢分离膜特性研究

发布时间：2018-01-25 09:19

本文关键词： 离散结构表面透氢性能热稳定性冷喷涂实验分子动力学模拟　出处：《重庆大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：氢气作为本世纪最具前途的洁净能源载体,如何获取高纯度氢气成为亟需解决的氢能利用的主要问题之一。采用膜分离技术净化提纯氢气是目前公认的可行的解决途径。国内外现有研究结果表明:以非贵金属为膜基材料的复合金属氢分离膜是最有可能成为大规模氢气燃料生产分离过程中所需的重要能源材料。但当前研究的致密覆盖结构复合金属膜因钯金属用量仍偏高而难以进一步降低膜成本,并因覆盖膜的破裂与基体材料分离甚至脱落而达不到所要求的膜使用寿命。为解决以上问题,论文针对一种特殊的离散结构表面复合金属氢分离膜,利用模拟和实验相结合的方法,从宏观、微观尺度上研究了离散结构表面复合金属膜相比致密结构复合金属膜所具有的各种优越性。首先,借鉴强化传热原理,引入形状因子和体积分数,推导出适用于不同结构复合金属膜等效氢渗透系数的计算通式,与致密结构复合金属膜对比分析后可知,离散结构复合金属膜不仅具有较高的透氢性能而且有效降低了钯材料的使用量。又进一步利用有限元分析方法,对致密结构与离散结构复合金属膜不同温度下的热稳定性进行数值模拟,探究了不同嵌入形状、嵌入深度、颗粒间距对热应力分布的影响,发现离散结构复合金属膜在高温下可保持高的结构热稳定性,具有更长的使用寿命。随后,利用高压冷喷涂技术成功制备了离散结构表面复合金属膜,并通过SEM实验研究了颗粒沉积于基体成膜的膜结构形貌与变形特征,验证了冷喷涂技术制备离散结构表面复合金属膜的可行性。最后,运用分子动力学模拟方法从微观尺度上研究了较大和超大钯团簇沉积于钽基体的微观过程及微观特性,分析了不同因素对团簇沉积过程、界面结构及团簇结构重整的影响,发现了沉积过程中界面合金形成以及团簇结构重整的规律。由分子动力学模拟可知,当基体初始温度及撞击速度增至一定值后,团簇以类椭球体或锥体的形状嵌入基体。团簇在碰撞沉积基体过程中,团簇与基体原子间的迁移、混合、扩散及替换,使得团簇与基体的界面结合处生成了合金化合物。通过冷喷涂实验及EDS能谱分析,发现颗粒与基体结合界面及边缘处同时有颗粒与基体金属元素的存在,与分子动力学模拟结果保持一致。同时,团簇与基体接触的界面边缘区域,原子在团簇周围发生聚集与实验中观察到的颗粒沉积后发生的金属射流现象类似。论文分别从理论分析、宏观数值模拟研究了离散结构表面复合金属膜具有较高的透氢性和热稳定性,并使用冷喷涂技术成功制备了离散结构表面复合金属膜,且进一步利用分子动力学模拟深入分析了钯颗粒碰撞沉积钽基体的微观过程、表面特性及结构演变,相关模拟结果与实验观测相互印证。从而从多方面多角度地证明了离散结构表面复合金属膜的优越性,并获悉制备具有优越透氢性及结构热稳定性复合金属膜的冷喷涂工作参数,对制备离散结构表面复合金属氢分离膜具有实际的指导意义。
[Abstract]:In order to solve the above problems , it is found that the composite metal film of the discrete structure can be used as the important energy source for large - scale hydrogen fuel production and separation .

【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ051.893;TQ116.2

【参考文献】