Закономерности накопления водорода и дефектов в сплавах на основе интерметаллического соединения TiCr2

Водородная энергия представляет собой большое потенциальное
решение для удовлетворения глобального спроса на энергию. Развитие
водородной энергия может привести совсем к другой жизни в мире, в
котором устранены или сведены к минимуму наши связанные с энергетикой
выбросы и другие проблемы экологического ущерба.
С развитием водородной энергетики будет обеспечен наш спрос на
доступную, эффективную, надежную и экологически чистую энергию. Чтобы
полностью понять «водородную энергию», необходимо понять все аспекты
водорода от его характерных свойств до отличия от существующих топлив.
Ключевым преимуществом водорода является то, что он может быть
получен из различных источников, включая ископаемое топливо, ядерную
энергию, биомассу и возобновляемую энергию. Помимо этого, водородная
энергетика относится к альтернативной энергетике, применение которой
является экологически чистым.
Перспективы водородной энергии, необходимость ее развития,
потенциал данного направления описывается в различных статьях[1],[2].
Прежде всего, использование водорода в качестве универсального
топливо обусловлено такими факторами:
1. Основное “месторождение” – вода, разложение молекул которой дает
чистый водород. Источниками водорода могут являться уголь, газ, биомасса
– как отходов, так и живых растений. У некоторых представителей группы
зелёных водорослей, например, Chlamydomonas reinhardtii, при нехватке
кислорода и серы резко ослабевают процессы фотосинтеза, и запускается
бурная выработка водорода. Этот эффект обнаружил в конце 90-х годов
прошлого века исследователь из Беркли, Анастасиос Мелис.
2. Водород имеет довольно высокую удельную теплоту сгорания –
140МДж/кг, что значительно выше, чем у любого другого углеводородного
топлива.
3. В результате сгорания водорода с доступом кислорода образуется
опять же вода, т.е. побочных продуктов сгорание нет, нет ни сгоревших
частиц пепла, загрязняющих атмосферу, ни выбросов вредных газообразных
соединений типа углекислого газа (парниковых газов).
Взяв к вниманию хотя бы эти преимущества водорода уже можно без
доли сомнения утверждать, что у водорода огромныеперспективы, и в
первую очередь – в качестве источника энергии. Мировая промышленность
не обходит эти преимущества водорода стороной: производство водорода
ведется уже достаточно давно. Водород используется не только для
потребностей отдельных производств (например,аммиака, метанола, мыла и
пластмасс, маргарина из жидких растительных масел, упаковочного газа, для
атомно-водородной сварки), но и в качестве энергоносителя – и в виде
топливных элементов и как непосредственного топлива, в частности,
ракетного, а в последние годы – топлива для легкового, грузового и
пассажирского транспорта.
Одной из наиболее актуальных проблем при применении водорода в
качестве топлива является его хранения и транспортировка. Это связано с
егонизкой плотностью (0,09 кг/м3), взрывоопасностью (образование
взрывоопасной смеси – гремучего газа при смеси с воздухом или с
кислородом) и способностью проникать практически через любые материалы
(из-за малого размера атома) [1,3-6].
Один из способов хранения и транспортировки водорода является его
помещение в газобаллонные системы. Но данный вид хранения имеет
большие недостатки. В первую очередь это связано с малой плотностью
водорода и при хранении его в газобаллонных системах под давлением
создает такие проблемы как: большой удельный вес, который ограничивает
их использование (например, в транспорте) и повышенное давление (до
30МПа), что требует повышенных мер безопасности. [3],
Следующийспособ хранения водорода – в жидком состоянии,так же
имеются специфические требования: применение высокоэффективной
теплоизоляции или термостатирование данного объема. Такое хранение
представляет лучший вариант в отношении снижения массы топлива и
повышения плотности энергии (в настоящее время запас хода автомобилей
на одну заправку бака составляет около 300 км). Однако очень низкая
температура хранения (–253°С) требует высокой степени теплоизоляции
бака, что вызывает некоторые проблемы и возникают значительные потери
при малой теплоизоляции, а такжетребуется очень высокие затраты энергии
на сжижение водорода
В нашей работе будет рассматриваться третий способ хранения
водорода – металлогидридный метод,т.е. хранение водорода в связанном
состоянии в виде гидридов металлов, интерметаллических соединений
(ИМС) или сплавов на их основе. Общее название таких материалов – сплав-
накопитель водорода (СНВ).
Данный метод является перспективным и требует особого внимания,
чтобы в будущем иметь возможность его использования. Суть данного
способа хранения водорода заключается в следующем. В емкости,
предназначенные для хранения, помещают специально подобранные сплавы
некоторых металлов, которые обладают свойством при определенных
условиях (давлениях и температурах) подобно губке поглощать водород,
превращаясь при этом в гидрид. При изменении параметров (повышении
температуры или давления) гидрид вновь распадается, высвобождая водород.
Основными показателями, определяющими конкурентоспособность
такого способа по сравнению с другими, являются:
• отношение полезного веса водорода к весу устройства;
• обратимость процесса и отсутствие технических трудностей при
высвобождении водорода и внедрение в «водородный аккумулятор»;
• возможность многократного использования;
• возможность придания «аккумулятору», содержащему связанный
водород, произвольной формы, не превышающей габариты основной
конструкции;
• безопасность работы с таким способом хранения водорода;
• экономичность способа.
Перспективным материалами-накопителями водорода являются ИМС
типа AB2 со структурой фаз Лавеса. Среди них большое внимание
привлекают к себе интерметаллическое соединение TiCr2 и сплавы на его
основе. Это связано с тем, что данные материалы имеют невысокую
стоимость, высокую сорбционную емкость, способность обратимо
взаимодействовать с водородом в необходимом диапазоне температур и
давлений, и хорошую кинетику взаимодействия с водородом [9-11].
Важным этапом при исследовании СНВ является их получение, так
как качество сплава оказывает большое влияние на его свойства. Самым
распространенным методом получения СНВ является дуговая плавка [12-18].
На практике также часто используют индукционную плавку [19-22],
механосинтез [23-26]. Однако синтез материалов данными методами, сплав
часто содержит несколько фаз одновременно и загрязняется посторонними
примесями. Одновременное содержание различных фаз приводит к
затруднению качественного анализа влияния отдельной фазы на свойства
сплава при взаимодействии с водородом. Содержание примесей, в частности,
кислорода и углерода, ухудшает сорбционные свойства сплава.
Бурное развитие ионной и электронной техники открывает новые
возможности для получения интерметаллических сплавов. Нагрев исходных
материалов до температуры плавления может осуществляться за счет
передачи энергии от ионов или электронов. Таким образом, можно получить
соединения альтернативным плавлением в плазме аномального тлеющего
разряда и электронно-лучевой плавкой. Благодаря высокому вакууму, оба
метода обеспечивают эффективное рафинирование [27, 28], и тем самым
улучшается качество полученного сплава.
При исследовании системы металл-водород имеется ряд специфических
особенностей, связанных с высокой диффузионной подвижностью водорода
в металлах и сплавах и его высокой реакционной способностью –
возможностью образования сложных комплексов, в которые входят дефекты
вакансионного типа, примесные атомы, дислокации, собственные
междоузельные атомы, а также границы зерен [29-33]. Помимоэтого, водород
не только активно взаимодействует с уже имеющимися структурными
дефектами, но и индуцирует образование большого количества новых
дефектов [34-38].
В связи с вышеизложенным, целью настоящей работы является изучение
закономерностей накопления водорода и дефектов в сплавах на основе
интерметаллического соединения TiCr2. Для достижения поставленной цели
были сформулированы следующие задачи:
позитронной спектроскопии.
2. Расчет пробега позитронов с помощью программы LYS.
3. Исследование дефектной структуры TiCr2, до наводороживания и
после, методом позитронной спектроскопии.
4. Определение типа и концентрации дефектов методами позитронной
спектроскопии.
5. Исследование зависимости изменения аннигиляционных
характеристик образцов сплава TiCr2 после наводороживания.
6. Анализ полученных результатов.