Al、Ti掺杂对Mg2Ni合金相结构稳定性的影响及其微观机理

采用第一性原理赝势平面波方法,研究元素Al和Ti掺杂对Mg2Ni储氢合金相结构稳定性的影响及其微观机理.结果显示:在掺杂浓度x＝0～0.5范围内,所形成的Mg2Ni型Mg2-xMxNi(M＝Al,Ti)固溶体合金的相结构稳定性随Al掺杂浓度的增大而增强,随Ti掺杂浓度的增大而减弱,且Mg2-xMxNi(M＝Al,Ti)固溶体合金相对于立方结构的Mg3MNi2(M＝Al,Ti)化合物呈现热力学不稳定性,极易分解成由立方结构Mg3MNi2(M＝Al,Ti)和六方结构Mg2Ni组成的复合相,计算结果与实验结果吻合.电子结构分析表明,Al、Ti掺杂Mg2Ni储氢合金的相结构稳定性与体系在低能级区的成键电子数密切相关.     

钛合金化对Mg_2Ni储氢性能的影响

采用第一性原理方法研究了钛合金化对Mg_2Ni及其氢化物储氢性能的影响。计算结果表明,在掺杂浓度为0~0.5的范围内,Ti优先占据Mg(6i)位,六方结构的固溶体合金Mg_((2-x))TixNi极易分解为立方结构的Mg3TiNi2和六方结构的Mg_2Ni组成的复合相。Ti的掺杂削弱了H原子和Ni原子间的相互作用,降低了其合金体系的吸氢反应焓,提高了Mg2Ni氢化物的解氢能力。     

Cu合金化Mg2Ni氢化物能量与电子结构的赝势平面波计算

采用基于密度泛函理论的第一原理赝势平面波方法,计算了Cu合金化前后Mg2Ni相及其氢化物的能量与电子结构.负合金形成热的计算结果表明:Cu合金化Mg2Ni形成Mg2Ni(Ⅱ)"1-xCu(x=1/3)的相结构稳定性最高,两个Cu原子最易占据Ni(Ⅱ)的(0,0.5,0.166 67)与(0.5,0,0.5)位置;进一步对其氢化物的解氢反应热进行计算,发现Cu合金化后,氢化物体系解氢反应热与合金化前相比,明显降低,表明Cu合金化Mg2Ni氢化物的解氢能力增强;电子态密度(DOS)与电子密度的计算结果发现:Mg2Ni(Ⅱ)" 1-xCux(x=1/3)相结构最稳定的主要原因在于:Cu合金化后氢化物在费米能级处的成键电子数N(EF)与其它结构相比最少;而Cu合金化Mg2Ni氢化物解氢能力增强的主要原因在于:Cu合金化削弱了氢化物中Mg-Ni和Ni-H间的成键作用以及相应原子在低能级区成键电子数的减少.     

Cr合金化Mg2Ni氢化物能量与电子结构的第一性原理研究

用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,计算了Cr合金化前后Mg2Ni相及其氢化物的能量与电子结构。合金形成热的计算结果表明:Cr合金化Mg2Ni,形成Mg(I)CrNi的相结构最稳定,其中,Cr原子最易占据Mg(I):(0.5,0,z),z=l/9位置;进一步对其氢化物的解氢反应热进行计算,发现Cr合金化Mg2Ni氢化物后,体系解氢所需吸收的热量与合金化前相比明显降低,体系的解氢能力得到增强;电子态密度(DOS)、密集数与差分电荷密度的计算结果发现:Mg(I)CrNi相结构最稳定的主要原因在于体系在费米能级(EF)处附近的成键电子数最多;而Cr合金化Mg2Ni氢化物体系解氢能力增强的主要原因在于:Cr合金化后导致体系的稳定性降低,削弱了H-Ni和H-Mg间的成键作用。     

过渡金属对Mg2Ni氢化物电子结构和热力学稳定性影响:第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的平面波赝势(PW-PP)方法,计算并分析了Mg2Ni1-xMx(M=Mn,Fe,Co,Ni,Cu,x=0.25)合金及其氢化物Mg2Ni1-xMxH4的电子结构和热力学稳定性。计算结果表明:Mg2NiH4和Mg2Ni1-xMx的晶胞参数与实验值吻合较好。对Mg2Ni1-xMxH4的电子结构分析发现:氢化物中的Ni—H和M—H键为共价键、Mg—H键为离子键,且Ni—H与M—H键的相互作用强于Mg—H键的。Mn、Fe和Co的部分替代对Ni—H键的相互作用影响较小,而Cu的替代则减弱了Ni—H键的相互作用,这可能是Cu替代后氢化物结构稳定性降低的一个原因。计算了Mg2Ni0.75M0.25H4(M=Mn,Fe,Co,Ni,Cu)的生成焓,分别为-57.7、-61.5、-61.4、63.4和41.6 kJ/mol,与实验值吻合较好。     

Mg3MNi2（M=Ti，Al）的晶体结构

Al和Ti对Mg2Ni结构中部分Mg的取代,得到与Mg2Ni晶体结构不同的新型合金．多晶X射线结构分析表明,其化学式为Mg3MNi2(M=Ti,Al),立方晶系,空间群Fd3m,Z=16,48个Mg坐落在48(y),16个M(M=Al,Ti)坐落在16(d)位,32个Ni坐落在32(e)位,Mg3AlNi2的晶胞参数a=1．15474(2)nm,Mg3TiNi2的a=1．16178(2)nm．与Mg2Ni相比,Mg3MNi2合金的晶体密度更大,Mg-Ni键长更长,吸放氢温度降低,循环寿命延长．     

纳米晶Mg2-xTixNi0.8Cr0.2四元合金的气态储氢性能

纳米晶Mg2-xTixNi0.8Cr0.2(x=0.05,0.10,0.15,0.20)四元合金由纯Mg,Ti,Ni,Cr粉在773 K经4h烧结后机械球磨而成.该合金具有良好的活化性能和吸氢动力学性能.合金在393 K,4.0 MPa氢压条件下,2min内便可以完成总吸氢量的75%(质量分数)以上,Mg1.95Ti0.05Ni0.8C0.2最大吸氢量可达到3.35%.在493 K,0.1 MPa条件下可快速放氢,Mg1.80Ti0.20Ni0.8Cr0.2在18 min内便可完成放氢过程,总放氢量为2.17%.所有合金具有良好的低温吸氢性能,353 K时Mg1.85Ti0.15Ni0.8Cr0.2合金最大吸氢量可达到2.08%.XRD分析结果显示,Ti替代Mg后,合金中主要存在Mg2Ni与Ni两相,另外,还有微量的Mg与TiNi相,TiNi相弥散分布在合金中,对合金的吸放氢性能有一定的催化作用.     

Mg2Ni合金及其氢化物的电子结构及成键特性的第一原理计算

采用第一原理方法对Mg2Ni及其氢化物电子结构进行计算。计算结果表明:在Mg2Ni合金中,原子间的相互作用主要发生在Ni原子层附近,而沿c轴方向Mg原子与Ni1、Ni2原子相互作用很弱,沿着a、b轴原子间的相互作用强于沿c轴的相互作用;在Mg2Ni氢化物中,Ni原子轨道与H原子轨道在成键区存在较强的s-p-d杂化作用;Mg2Ni合金氢化物在LT→HT的转变中,Mg与NiH4的离子相互作用减弱是造成合金氢化物的稳定性下降的一个原因。     

Nb合金化Mg_2Ni及其氢化物能量和电子结构的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,计算了Nb合金化前后Mg2Ni及其氢化物的能量与电子结构。合金生成焓分析表明:当Nb原子占据Mg(6i)位置时,Mg2Ni的结构最为稳定;进一步对其氢化物进行分析,发现Nb合金化降低了氢化物的稳定性,氢原子的解离能明显减小,表明体系的解氢能力得到增强。电子结构分析表明:Mg2Ni H4中存在着较强的Ni-H键的作用,而Mg-H键作用相对较弱,由于Nb与H的作用大于Mg与H的作用,而导致Ni-H键的作用减弱,这可能是Nb合金化后氢化物稳定性降低的一个原因。     

快淬工艺对Mg2Ni型合金气态及电化学贮氢动力学的影响

用铸造及快淬工艺制备Mg2Ni型Mg2-xLaxNi(x=0,0.2,0.4,0.6)贮氢合金。用XRD、SEM、HRTEM分析铸态及快淬态合金的微观结构,合金的气态贮氢动力学性能用自动控制的Sieverts设备测试,并用程控电池测试仪测试合金的电化学贮氢动力学。结果发现,La替代Mg明显地改变Mg2Ni型合金的相组成。当x≤0.2时,La替代Mg不改变合金的主相Mg2Ni,但出现少量的LaMg3及La2Mg17相。当La替代量x≥0.4时,合金的主相改变为(La,Mg)Ni3+LaMg3。快淬含La合金显示了以非晶相为主的结构,表明La替代Mg提高了Mg2Ni型合金的非晶形成能力。合金的气态及电化学吸放氢动力学对La含量及快淬工艺敏感,适当的快淬处理可以提高合金的气态及电化学贮氢动力学,但获得最佳贮氢动力学的快淬工艺与合金的成分密切相关。     

含Ca及Si镁合金的显微组织及力学性能

采用光学显微镜、扫描和透射电子显微镜研究了含Ca、 Si镁合金的显微组织特征. 铸态下, 仅含Ca的镁合金主要由镁基体和晶界离异共晶组织(Mg Mg2Ca)组成; 加入约0.5%(质量分数)Si后, 晶界离异共晶组织消失, 在晶界附近及晶内形成弥散分布的细小点状(球状)、针状和粗块状CaMgSi相; 当含Si量较高(约1.0%)时, 出现中国字形(针状)的Mg2Si相. 固溶时效后, 只含Ca的镁合金中晶界处离异共晶组织消失, 代之以长大了的颗粒状Mg2Ca相; 而Mg-Ca-Si合金的固溶时效组织较铸态无明显变化. 对合金常温和高温短时拉伸性能也作了初步探讨.     

电解液中Ca2+、Mg2+对ZAlSi12Cu2Mg1微弧氧化陶瓷膜表面形貌的影响

在Al2O3陶瓷的烧结过程中，添加剂MgO和CaO起着极其重要的作用。本文主要研究在微弧氧化过程中，电解液中加入Ca^2＋、Mg^2＋后，ZAlSi12Cu2Mg1合金微弧氧化陶瓷膜表面形貌的变化。SEM结果表明：微弧氧化陶瓷层由大小不相等的表面具有放电气孔的颗粒组成，在基础电解液中加入Ca^2＋后，生成的陶瓷膜层与添加Mg^2＋的电解液中生成的陶瓷膜层相比，表面较平整、陶瓷颗粒形状比较均匀，且表面有大约2μm的树枝状晶体，但还没有完全生长。微弧氧化膜层表面有明显的热裂裂纹存在，且这些裂纹穿过放电气孔。膜层表面不均匀的分布有细小的浅色颗粒。     

Mg量对过共晶Al-18%Si合金组织与性能的影响

为改善Al-18％Si组织形貌，利用扫描电镜与金相显微镜观察了不同含Mg量过共晶Al-Mg-18％Si合金的显微组织，并测试相应的力学性能，研究了强化处理的作用。结果表明：镁在过共晶Al-Si合金中的作用是通过热处理来实现，随镁含量的增加，合金的强度稍有增加，但伸长率有所下降。为了提高金相组织与力学性能，Mg量应控制在0．5％～3．0％。     

冷却速度对Mg2Si增强过共晶Al-Si合金组织与性能的影响

采用液态熔融法制备Mg2Si增强过共晶Al-Si合金自生复合材料。研究了冷却速度、稀土(Pr)变质处理对铸态显微组织与性能的影响。结果表明,在液相线附近,冷却速度快,晶粒均匀细小;稀土(Pr)变质剂对初生硅及共晶组织均有明显的细化效果,并细化Mg2Si、改变其形貌与尺寸,可显著提高合金的力学性能。     

往复挤压Mg-4Al-2Si合金的高温拉伸性能

利用往复挤压制备细晶Mg-4Al-2Si合金,采用OM、XRD和SEM分析合金组织,在150℃和1.33×10-3s-1初始应变速率下测试合金的拉伸性能。结果表明:铸态组织由α-Mg、β-Mg17Al12、共晶型汉字状Mg2Si和少量初生块状Mg2Si组成。经过8道次往复挤压后,α-Mg和Mg2Si颗粒的尺寸分别为2.1和1.3μm,高温抗拉强度、屈服强度、伸长率和拉伸强度保持率分别为250MPa、197MPa、62%和88%。优良的高温性能归因于细小的基体组织和稳定的Mg2Si颗粒对晶界的有效钉扎作用。     

Si对原位自生Mg2Si/AM60复合材料组织及性能的影响

采用原位合成技术制备Mg2Si/AM60复合材料,研究不同Si含量对其组织及性能的影响.结果表明:镁合金中加入结晶Si后,出现短棒状及中国汉字状的Mg2Si相;当Si含量较高时,中国汉字状的Mg2Si相消失,变成不规则的块状.制备过程中对复合材料进行机械搅拌,Mg2Si相的分布较未搅拌更加均匀、弥散.复合材料的抗拉强度、硬度随Si含量的增加呈上升趋势,延伸率则下降.当Si量为1.0%(质量分数,下同)时,强度较基体提高12%,含量为5%时,硬度较基体提高48.6%.     

电场激活合成Mg2Si的热电性能研究

用Mg粉和Si粉通过电场激活加压辅助法（Field-activated and Pressure-assisted Synthesis,FAPAS）,在1073 K、50 MPa条件下快速实现了Mg2Si块体热电材料的一步法合成与致密化;合成过程反应物反应完全,产物的XRD曲线的Mg2Si峰型尖锐,占产物含量的99.5%。合成样品的Seebeck系数、电导率、功率因子分别在562K、773 K、600 K时达到最大值,分别为445μVK-1、54.4 Scm^-1、4.35 W/cmK^2。通过对比多种方法合成的Mg2Si热电材料的热电性能发现,FAPASA样品的功率因子比其它方法具有明显的优势。     

Sb变质对Mg_2Si/AM60镁基复合材料组织及性能的影响

研究了Sb对Mg2Si增强相及基体组织的细化效果及机理。结果表明,Sb加入可生成Mg3Sb2,Mg3Sb2能够作为Mg2Si的异质核心,使得Mg2Si由汉字状变成颗粒状,并弥散地分布。同时,基体组织也得到细化,改善了合金的力学性能。加入0.8%的Sb后,合金的抗拉强度提高了12.2%。     

铸造工艺对自生Mg2Si/Al-20Si复合材料组织及性能的影响

采用熔体直接反应法制备了Mg2Si/Al-20Si复合材料,研究了不同浇注温度、冷却强度对该原位自生复合材料组织及性能的影响.结果表明,浇注温度为750 ℃时,复合材料中Mg2Si和初晶Si晶粒均匀细小,力学性能较好;在过低或过高的浇注温度时,复合材料中Mg2Si和初晶Si晶粒变粗大,力学性显著降低.同时,随着冷却强度的增加,复合材料的力学性显著增强.