论文部分内容阅读
日益严峻的能源危机和环境污染，使得发展清洁能源成为各个国家的重要议题。氢能和核能作为21世纪的新能源，以其储量丰富，容易获取、没有污染，能量密度高等优点，将逐步应用到人类生活的各个方面。
氚是氢的同位素，是核反应堆的燃料和尖端核武器中的重要原料，在国家未来的能源结构和国防建设中具有不可替代的战略作用。氚的安全储存和输运是氚应用中的关键技术之一，所以发展高效储氚材料具有极其重要的现实意义。
本论文以高效储氚材料的研制开发为背景，结合国际国内储氚材料的研究现状，选择LaNi5-xAlx(x=0～1.2)合金作为主要研究对象。运用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、激光粒径分析仪、储氢性能综合测试系统、显微维氏硬度计等测试手段，对LaNi5-xAlx(x=0～1.2)合金的晶胞结构、吸放氢性能、热力学性能、动力学性能、抗粉化性能和长期服役性能进行了系统的研究与分析。其中，储氢性能综合测试系统为自行设计和组建。该系统可自动同步采集温度、压力信号和实现对阀门的自动控制，可完成对储氢材料的动力学性能、热力学性能和长期循环吸放氢性能的测试。
研究表明，铸态LaNi5-xAlx(x=0～1.2)合金主相由CaCu5组织构成，而LaNi3.8Al1.2合金中有少量AlNi3相存在。Al含量的增加对平台压和吸氢量主要起降低作用，但可明显改善动力学性能。通过自行编制的MATLAB晶胞参数计算程序研究表明，该合金随Al含量增加，其晶格参数和晶胞体积都有增加，且呈各向异性膨胀趋势。
通过对铸态LaNi5-xAlx(x=0～1.2)合金循环储氢性能系统的研究，表明合金的抗粉化性能主要由其自身的塑性特征决定，同时，储氢容量对其抗粉化能力也有一定影响。合金的硬度越小，储氢容量越小，其抗粉化能力越强。另外还发现，铸态LaNi5-xAlx(x=0～1.2)合金在经过长期吸放氢循环后其动力学有两种不同的变化趋势，LaNi4.75Al0.25和LaNi4.25Al0.75合金的动力学性能发生恶化，而LaNi5和LaNi3.8Al1.2合金的动力学性能得到改善。这主要是由于颗粒粉化对动力学性能有两种相反的作用。一方面，颗粒粉化能够使合金产生更多的活性表面和缩短氢的扩散距离，从而有利于动力学性能的改善。另一方面，颗粒粉化也会导致自压实现象的产生和导热效率的降低，最终使动力学性能发生恶化。当颗粒较大时，粉化过程的改善作用占主导；而颗粒较小时，其恶化作用占主导。颗粒粒度分布的VMD(volume mean diameter)存在临界值。对于LaNi5-xAlx(x=0～1.2)合金，该VMD临界值大约在20μm左右。另外，Al的加入能够明显提高合金长期循环的容量稳定性。
对铸态和快淬态LaNi4.25Al0.75合金经1000次循环充放氢后的性能研究表明，这两种合金的吸氢性质均比较稳定，但是存在一些细微的差异：快淬态合金的长期容量衰减要小于铸态合金，其抗粉化性能和滞后性能则明显优于铸态合金。但是，铸态合金的储氢容量要略大于快淬态合金，其活化过程明显比快淬态合金容易得多。
成功地通过溶胶-凝胶法和气相二氧化硅法制备出LaNi4.25Al0.75/SiO2复合储氢材料，该材料基本保持LaNi4.25Al0.75基体吸氢的优良热力学性能，但是其动力学性能、抗粉化性能及活化性能具有明显优势。
为35MPa增压提纯装置提供了详细的初步设计方案。该装置使用的工作介质是金属氢化物。拟通过两极三相结构实现氢气流(流速≥100升/分)的平稳输出，同时使1～2MPa，的普氢(≤99％)在低于453K温度下增压至35MPa以上，而且纯度达到99.999％以上。