تولید و مشخصه یابی آلیاژ های پایه تیتانیم ذخیره کننده ی هیدروژن به روش پلاسما اسپری
چکیده
امروزه ذخیره سازی هیدروژن در هیدرید های فلزی توجه بسیاری از دانشمندان را به خود جلب کرده است. با این حال ظرفیت جذب و دفع پایین هیدروژن و خواص سنتیکی ضعیف در این مواد کاربردشان را محدود کرده است. ایجاد ساختار های فوق ریز دانه و نانوکریستال توسط روش های سنتزی مانند آلیاژ سازی مکانیکی و اسپینینگ مذاب از راهکار های مورد مطالعه در بهبود خواص هیدرید های فلزی به شمار می رود. در این پژوهش به بررسی و مقایسه ی روش پلاسما اسپری تحت خلأ، به عنوان روشی جدید در سنتز این آلیاژ ها، با روش های ذوب القایی تحت خلأ و روش آلیاژسازی مکانیکی پرداخته شد. آلیاژ مورد بررسی آلیاژ ti1-xzrxmn2-y-zvycrz بود که مقادیر ضرایب استوکیومتری آن از روش طراحی آزمایش طرح مرکب مرکزی (ccd) تعیین شد. نمونه-های طراحی آزمایش با استفاده از روش آلیاژسازی مکانیکی سنتز و توسط آزمون گالوانواستاتیک در سه سیکل مورد بررسی قرار گرفت. توسط بهینه سازی ترکیب پس از طراحی آزمایش، ضرایب استوکیومتری بهینه برای آلیاژ به صورت x=0.28، y=0.6 و z=0 بدست آمد. نتایج آنالیز xrd و sem بر روی نمونه های تولید شده به روش ذوب القایی تحت خلأ، آلیاژسازی مکانیکی و پلاسما اسپری نشان داد که تمامی نمونه ها از دو ساختار کریستالوگرافیکی لاوه ی c14 با ساختار هگزاگونال و محلول جامد پایه وانادیوم با ساختار bcc تشکیل شده اند. میزان فاز لاوه c14 در نمونه ی پلاسما اسپری نسبت به دو نمونه ی دیگر بیشتر بود و میزان فاز محلول جامد پایه وانادیوم در نمونه ی ذوبی دارای بیشترین مقدار تشخیص داده شد. نتایج آزمون گالوانواستاتیک بر روی نمونه های سنتز شده به سه روش، کاهش ظرفیت تمامی آن ها را با افزایش سیکل های شارژ-دشارژ نشان داد. میزان ظرفیت الکتروشیمیایی نمونه ی تولید شده به روش ذوب القایی به دلیل حضور مقدار بیشتری از فاز محلول جامد پایه وانادیوم بالاتر و ظرفیت نمونه ی تولید شده به روش پلاسما به دلیل کاهش این فاز دارای کمترین مقدار بود. همچنین از بررسی پایداری ظرفیت مشخص شد که نمونه ی پلاسما، دارای بالاترین پایداری سیکلی است. بررسی های سینتیکی واکنش های شارژ-دشارژ هیدروژن در نمونه ها توسط آزمون های امپدانس الکتروشیمیایی ، آزمون پتانسیواستاتیک و آزمون دشارژ نرخ بالا (hrd) حاکی از بهبود خواص سینتیکی در نمونه ی پلاسما بود به طوری که ضریب نفوذ هیدروژن در نمونه ی پلاسما حدود 10 برابر دو نمونه ی دیگر و دانسیته جریان تبادلی در این نمونه نسبت به دو نمونه ی دیگر بیش از دو برابر بود. ارتقای خواص سینتیکی نمونه ی پلاسما به حضور نسبی بیشتر فاز های لاوه c14 به عنوان کاتالیست و کالکتور میکرو جریان ها، و همچنین میزان بالاتری از فاز های آمورف در این نمونه در اثر سریع سرد شدن، نسبت داده شد. نتایج تست سیورت (تست گازی جذب و دفع هیدروژن) بر روی نمونه های ذوبی و آسیابکاری در دمای محیط، oc 150 و oc400 نشان داد که دمای oc 150 به دلیل تأمین همزمان شرایط ترمودینامیکی و سینتیکی لازم، بهترین دمای جذب و دفع هیدروژن است. همچنین ظرفیت جذب و دفع هیدروژن نمونه ی ذوبی در این آزمون به دلیل حضور میزان بالاتری از فاز محلول جامد پایه وانادیوم به عنوان فاز اصلی ذخیره کننده ی هیدروژن بالاتر از نمونه ی آسیابکاری بود.