Дослідження впливу нерозчинних компонент на накопичення та виділення водню із магнієвих композитів, отриманими методом плазмового напилення компонент сплаву

Даний проект спрямований на пошук компонентів для композитів на основі магнію, які можуть суттєво поліпшити водень акумулюючи властивості. Особливий інтерес викликають матеріали в нанокристалічному стані.
Одним із способів одержання матеріалів у нанокристалічному стані є введення наноутворюючих компонент. На наш погляд, до наноутворюючих компонент потрібно віднести, насамперед, хімічні елементи, які мають низьку розчинність або взагалі не взаємодіють із компонентами створюваних композитів.
Для одержання композитів з різним змістом нерозчинних компонентів використовувався метод плазмового розпилення – напилювання, який забезпечував по-атомне змішування компонентів у широкому діапазоні концентрацій нерозчинних компонентів (композити із суттєво нерівновагими, неупорядкованими структурами).
Такі композити слід виділити як принципово новий клас матеріалів.

Схема експериментальної установки для виготовлення зразків методом плазмового розпилення: 1 - катоди із металів, що розпилю-ються; 2 - утримувач зразків; 3 - балони із газами; 4 - форвакуумний насос та високовакуумний насоси; 5 - вимірювач тиску.

Залежність температури максимуму термоактивованого виділення дейтерію від складу композита Mg-Zr. Доза дейтерію ≈7.3×10 17D/см 2, Тirrad. ≈100 K

Області застосування

Воднева енергетика. Високоефективні наноматеріали для зберігання водню, технології їх виготовлення.

Короткий опис

Проведена модернізація установки плазмового розпилювання – напилювання металів, виготовлені катоди з Mg, Ti, Al-Ti, Zr, Fe, стали Х18Н10Т. Розроблена методика попередньої обробки поверхні подложек для одержання високої адгезії нанопокрытий в умовах напилювання при кімнатній температурі, визначені оптимальні параметри горіння плазмового розряду.
Виготовлені й досліджені композити систем Mg-Ti, Mg-Al-Ti, Mg-V, Mg- Zr, Mg-Fe, Mg-Сталь Х18Н10Т. Отримані дані по десорбції дейтерію на прикладі досліджених композитів свідчать про перспективність пошуку матеріалів для накопичувачів водню, у складі яких є хімічні елементи з низькою розчинністю в компонентах композитів.

Очікувані властивості

Передбачається створення нових високоефективних композитів для зберігання водню, які задовольняють вимогам для матеріалів водневої енергетики (із низькою температурою десорбції водню, прийнятної кінетикою сорбції – десорбції та ін.)

Переваги

Отримані дані свідчать у необхідності здійснення проектів, спрямованих на розробку як методів одержання так і дослідження принципово нового класу композитів на основі магнію – із уведенням хімічних елементів, які не взаємодіють із магнієм і мають низьку розчинність у ньому. У якості найбільш перспективного слід розглядати метод плазмового розпилення – напилювання компонент композита, який дозволяє одержувати композити із різною концентрацією (співвідношенням) нерозчинних, невзаємодіючих компонентів (композити із суттєво нерівновагими, разупорядкованими структурами).
Узагальнення отриманих систематичних даних дозволить з'ясувати фізичну природу позитивних і негативних змін у системі композитів на основі магнію для накопиченн водню залежно від складу та структури, побудувати модель поведінки водню.

Конкуренти

Sandia National Laboratories Albuquerque, NM 87185;
Vacuum Coating Technologies, Inc;
Beijing Technol Science Co., Ltd.;
Institute for Energy Technology, P.O. Box 40, N-2027 Kjeller, Norway.

Стан розробки

Виявлене, що введення нерозчинних у магнії компонентів приводить до зниження температури десорбції (виділення) дейтерію (наприклад, на 400 K для Ti, на 330 К для V) у порівнянні з виділенням зі зразків магнію (~800 K). Дослідження виконуються з використанням комплексу сучасних методів: термодесорбційна мас-спектрометрія (ТДС), імплантація іонів, рентгенівська дифракція.
Зразки систем Mg-Zr і Mg-V мають нано/аморфний стан. Наявність хімічно неактивних для магнію компонентів забезпечує низькотемпературну десорбцію введеного дейтерію. Такий результат спостерігається при концентрації Ti менш 40 ат.%, 16 ат.% для V. Причиною зниження температури десорбції водню можуть бути канали, які формуються нерозчинними в магнії компонентами.
Східчастий вид кривої залежності температури максимуму термоактивованого виділення дейтерію із досліджених композитів на основі Mg свідчить про наявність двох різних структурних станів для систем Mg-Ti, Mg-V, Mg-Zr залежно від співвідношення компонентів. При цьому стехіметричність співвідношення компонентів, свідчать на користь можливості утвору хімічних сполучень із компонентів, які не взаємодіючих у звичайних умовах.
Отримані дані свідчать про перспективність пошуку матеріалів – накопичувачів водню, у складі яких є хімічні елементи, які не взаємодіють із компонентами композитів (наноутворюючі елементи). Наявність таких елементів знижує температуру десорбції водню. Необхідні подальші дослідження спрямовані на пошук більш ефективних составів композитів із прийнятними температурою десорбції водню, кінетикою сорбції - десорбції водню і т.д.

Інтелектуальна власність

Публікації за результатами досліджень

Статті

• I.M. Neklyudov, O.M. Morozov, V.G. Kulish, V.I. Zhurba, N.S. Lomino, V.D. Оvcharenko, O.S. Кuprin Threshold character of temperatures on deuterium desorption from the Mg-Zr composite. // IOP Conf. Series:Materials Science and Eng. 23 (2011) 012028; doi:10.1088/1757-899X/23/1/012028.
• I.M. Neklyudov, O.M. Morozov, V.G. Kulish, V.I. Zhurba.P.A. Khaimovich,A.G. Galitskiy. Hydrogen diagnosticsof structural states in 18Cr10NiTi steel. //Journal of Hydrogen Energy, 36 (2011) 1192-1195.
• I.M. Neklyudov, O.M. Morozov, V.G. Kulish, V.I. Zhurba. N.S. Lomino, V.D. Оvcharenko, O.S. Кuprin. Threshold character of temperatures on deuterium desorption from the Mg-V composite. // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 38 (2012) 012061 doi:10.1088/1757-899X/38/1/012061.
• O.M. Morozov, V.G. Kulish, V.I. Zhurba, I.M. Neklyudov, V.O. Progolaieva, A.S. Кuprin, N.S. Lomino, V.D. Оvcharenko, I.V. Kolodiy, O.G. Galitskiy. Deuterium desorption temperature from Mg-Ti composites prepared by method of atom-by-atom mixing of components. // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 49 (2013) 012013; doi:10.1088/1757-899X/49/1/012013.
• O.M. Morozov , V.G. Kulish, V.I. Zhurba, I.M. Neklyudov, V.O. Progolaieva, A.S. Кuprin, N.S. Lomino, V.D. Оvcharenko, O.G. Galitskiy. Effects of Concentration Titanium on Threshold Character of Deuterium Desorption Temperature Range from Mg–based Composites. // Proceedings оf the International Conference Nanomaterials: Applications and Properties (NAP-2013), Vol. 2 No 4, 04NEA04 (4pp) (2013)ared by method of atom-by-atom mixing of components. // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 49 (2013) 012013; doi:10.1088/1757-899X/49/1/012013.
• І.М. Неклюдов, О.М. Морозов, В.І. Журбa, О.C. Купрін, В.О Проголаєва. Вплив нерозчинних елементів на накопичення та виділення дейтерію із магнієвих композитів, отриманих методом поатомного змішування компонент. компонент. // Водень в альтернативній енергетиці та новітніх технологіях [Редактори В.Д. Походенко, В.В. Скороход, Ю.М. Солонін]. – Київ, 2015.

Доповіді на конференціях

• И.М. Неклюдов, А.Н. Морозов, В.И. Журбa, В.А. Проголаева, А.C. Куприн, В.Д. Овчаренко, И.В. Колодий, А.Г. Галицкий. Влияние концентрации Ti, Zr, V, Fe на температурные диапазоны десорбции дейтерия из композитов на основе Mg. Сборник докладов 5-й Международной Конференции и 9-й Международной школы молодых ученых и специалистов им. А.А. Курдюмова «Взаимодействие изотопов водорода с конструкционными материалами (IHISM’14)», Саров, Россия, 07-11 июля 2014, 21 с.
• И.М. Неклюдов, А.Н. Морозов, В.Г. Кулиш, В.И. Журба, Н.С. Ломино, В.Д. Овчаренко, А.C. Куприн, И.В. Колодий, А.Г. Галицкий. Пороговый характер температуры десорбции дейтерия из Mg-Zr композитов. // Сборник докладов Седьмой международной школы молодых ученых и специалистов «Взаимодействие изотопов водорода с конструкционными материалами IHISM’11 JUNIOR» (г. Звенигород 24-28 октября 2011г) – Саров. – Россия-2012г.–С.361-369.
• И.М. Неклюдов, А.Н. Морозов, В.Г. Кулиш, В.И. Журба, Н.С. Ломино, В.Д. Овчаренко, А.C. Куприн, Е.Н. Решетняк. Пороговый характер температуры десорбции дейтерия из Mg-V композитов. // Труды «XX Международной конференции по физике радиационных явлений и радиационному материаловедению XX-ICPRP», 10-15 сент. 2012, г. Алушта, Крым, Украина, с.82-83.
• И.М. Неклюдов, А.Н. Морозов, В.Г. Кулиш, В.И. Журба, Н.С. Ломино, В.Д. Овчаренко, А.С.Куприн. Пороговый характер температуры десорбции дейтерия из Mg-Zr композитов // Материалы VII Международной школы-конференции молодых ученых и специалистов “Взаимодействие изотопов водорода с конструкционными материалами (IHISM’11)”, 24-28окт.(2011) Звенигород, Россия, с. 344-351.

Тези доповідей

• I.M. Neklyudov, O.M. Morozov, V.I. Zhurba, A.S. Кuprin, V.O. Progolaieva. Deuterium desorption temperatures of Al-Ti composites prepared by the method of atom-by-atom component mixing. Int. research and practice conf. «Nanotechnology and nanomaterials» (НАНО-2015) Lviv, Ukraine, Aug. 24 to 29, 2015, р. 296.
• O.M. Morozov, I.M. Neklyudov, V.I. Zhurba, V.O. Progolaieva, A.S. Kuprin, N.S. Lomino, V.D. Ovcharenko,I.V. Kolodiy, E.N. Reshetnyak. Effects of concentration Ti, Zr, V on deuterium desorption temperature range from Mg-based composite. //Book of abstracts at the Fifth Int. Conf. “Interaction of hydrogen isotopes with structural materials (IHISM?14)”, Sarov, Russia, 07-11 July, 2014, p.139-140.
• O.M. Morozov, I.M. Neklyudov, V.I. Zhurba, V.O. Progolaieva, A.S. Kuprin, N.S. Lomino, V.D. Ovcharenko. Effects of concentration Ti, Zr, V on deuterium desorption temperature range from Mg-based composite. // Int. research and practice conf. «Nanotechnology and nanomaterials» (NANO-2014), Lviv, Ukraine, Aug. 27 to 30, 2014. р. 328..
• O.M. Morozov, I.M. Neklyudov, V.I. Zhurba, V.O. Progolaieva, A.S. Kuprin, N.S. Lomino, V.D. Ovcharenko. Effects of Concentration Ti, Zr, V on Deuterium Desorption Temperature Range from Mg-based Composite. // Int. Symposium «Metal-Hydrogen Systems – Fundam. and Appl. (MH2014)», Manchester, United Kingdom, 20-25 July 2014, abstr. #325.
• O.M. Morozov, V.G. Kulish, V.I. Zhurba, I.M. Neklyudov, V.O. Progolaieva, A.S. Кuprin, N.S. Lomino, V.D. Оvcharenko, I.V. Kolodiy, O.G. Galitskiy. Deuterium desorption temperature from Mg-Ti composites prepared by method of atom-by-atom mixing of components. // Int. Conf. “Functional materials and nanotechnologies (FM&NT-2013)”, 21-24 April, Tartu, Estonia, Book of abstr. (PО-32), p. 137.
• O.M. Morozov, V.G. Kulish, V.I. Zhurba, I.M. Neklyudov, V.O. Progolaieva, A.S. Кuprin, N.S. Lomino, V.D. Оvcharenko, I.V. Kolodiy, O.G. Galitskiy. Effects of Concentration Ti on Structure and Deuterium Desorption Temperature Range from Mg-Ti Composites. //18th Int. Conf. on Surface Modification of Materials by Ion Beams (SMMIB 2013). Sept. 15-20, 2013, Kusadaci, Turkey. Abstract-Book (POS32), p.172.
• И.М. Неклюдов, А.Н. Морозов, А.C. Куприн, В.А. Проголаева, В.И. Журба, Н.С. Ломино, В.Д. Овчаренко, И.В. Колодий. Пороговый характер температуры десорбции дейтерия из Mg-Zr композитов, изготовленных методом поатомного смешивания компонент. // IV Международная научная конференция «Наноразмерные системы: строение, свойства, технологии (НАНСИС-2013)» 19-22 ноября 2013 г. Киев, тезисы (С3-26), р.249.
• I.M. Neklyudov, O.M. Morozov, V.G. Kulish, V.I. Zhurba, A.G. Galitskij, N.S. Lomino, V.D. Оvcharenko, O.S. Кuprin. E.N. Reshetnyak. Threshold character of temperatures on deuterium desorption from the Mg-V composite. // International Conf. “Functional materials and nanotechnologies (FM&NT-2012)”, 17-20 April, Riga, Latvia. Book of abstr., (Po-181), p. 294.
• А.Н. Морозов, В.Г. Кулиш, В.И. Журба, А.C. Куприн, Н.С. Ломино, В.Д. Овчаренко, Е.Н. Решетняк. Влияние Zr и V на структуру и температуру десорбции дейтерия из композитов на основе Mg. // Тезисы III Межд. конф. «Наноструктурные материалы – 2012: Россия-Украина-Беларусь (НАНО-2012)», Санкт-Петербург, 19-22 ноября 2012, с.323..
• I.M. Neklyudov, N.S. Lomino, O.M. Morozov, V.G. Kulish, V.I. Zhurba, V.D. Оvcharenko, O.S. Кuprin. The Effects of Zr on Temperature Rangesof Hydrogen Desorption in Mg-Zr composition. //International Conference Functional Materials and Nanotechnologies (FM&NT – 2011), Riga, Latvia, apr. 5-8(2011), Book of abstracts, p. 203 (PO-113).

Контактна інформація

Виконавець: Національний Науковий Центр “Харківський фізико-технічний інститут” НАН України

Проект №27 «Дослідження впливу нерозчинних компонент на накопичення та виділення водню із магні-євих композитів, отриманими методом плазмового напилення компонент сплаву»

Контактна особа:

Морозов Олександр Миколайович

Тел. +38(057)-700-3568
моб.+38 095-813-6195

Е-mail: morozov@kipt.kharkov.ua

---