论文部分内容阅读
随着社会的快速发展，人类对于各类能源的需求越来越大。大量不可再生的化石能源的开发，使得陆地资源逐渐匮乏，寻找一种新型的绿色清洁可再生能源显得尤为重要。人们逐渐将目光投向海洋，镁海水电池满足深海探测设备的电力供应需求，且安全环保，研究人员充分利用海洋自身条件开发镁海水电池。然而镁尽管具备诸多优势，其用作阳极材料时也存在放电活性低与自腐蚀严重等问题。本文利用基于第一性原理的量子力学计算方法，对合金元素与纯镁构成的体系进行了量子化学研究。筛选出合适的合金化元素并对部分实验现象做出解释。
结合二元合金相图，利用MaterialsStudio量子化学计算软件建立了部分金属间化合物及固溶体合金的晶体模型。计算了相应镁合金体系的结合能与相间电位差。结果表明，Mg2Cu，MgCo和Mg2Ni三种金属间化合物的结合能数值为负，但其绝对值偏小，说明三者不能足够稳定存在于镁合金中。并且与对应的固溶体合金间的相间电位差过大，理论上由此引发微电偶腐蚀效应的驱动力增大，不利于提高镁合金的耐蚀性能，因此排除了Cu，Co，Ni三种元素。镁与部分稀土元素如Yb及常见的Al，Zn，Sn，Bi等元素形成的合金体系具有更负的结合能，说明能够影响合金性能的相应第二相可以在镁合金中稳定存在，该影响主要取决于第二相在合金中的体积分数及分布情况。计算结果还表明，Yb，Al，Zn，Sn，Bi五种元素与Mg形成的金属间化合物与相应固溶体合金间的相间电位差较小，因此不易引发合金中可能存在的微电偶腐蚀，有利于提高镁合金的耐蚀能力。
基于以上理论计算结果，选择Yb，Al，Zn，Sn，Bi五种元素用于合金化，炼制了一系列合金用于电化学测试及自腐蚀测试。恒电流放电结果表明，不同的合金化元素对金属镁放电活性的影响不同，并且该影响主要受合金化元素含量的影响。Al元素的加入量一般较大，在含量为8.0%时，二元Mg-Al系合金的平均放电电位取得最负值。Sn和Bi元素的加入量不宜过高，放电电位随二者含量的增加明显正移，最佳含量均为0.2%。Zn和Yb元素最佳含量均为1.0%。极化曲线测试结果与恒流放电的结果一致。在各元素最佳含量基础上，制备了一系列四元镁合金，并与纯镁比较，最佳的四元合金为Mg-8.0%Al-0.2%Sn-1.0%Yb，其放电电位相比纯镁负移了56mV，阳极利用率提高近45%，兼具高的放电活性与阳极利用率，是较优的海水电池阳极材料。
结合二元合金相图，利用MaterialsStudio量子化学计算软件建立了部分金属间化合物及固溶体合金的晶体模型。计算了相应镁合金体系的结合能与相间电位差。结果表明，Mg2Cu，MgCo和Mg2Ni三种金属间化合物的结合能数值为负，但其绝对值偏小，说明三者不能足够稳定存在于镁合金中。并且与对应的固溶体合金间的相间电位差过大，理论上由此引发微电偶腐蚀效应的驱动力增大，不利于提高镁合金的耐蚀性能，因此排除了Cu，Co，Ni三种元素。镁与部分稀土元素如Yb及常见的Al，Zn，Sn，Bi等元素形成的合金体系具有更负的结合能，说明能够影响合金性能的相应第二相可以在镁合金中稳定存在，该影响主要取决于第二相在合金中的体积分数及分布情况。计算结果还表明，Yb，Al，Zn，Sn，Bi五种元素与Mg形成的金属间化合物与相应固溶体合金间的相间电位差较小，因此不易引发合金中可能存在的微电偶腐蚀，有利于提高镁合金的耐蚀能力。
基于以上理论计算结果，选择Yb，Al，Zn，Sn，Bi五种元素用于合金化，炼制了一系列合金用于电化学测试及自腐蚀测试。恒电流放电结果表明，不同的合金化元素对金属镁放电活性的影响不同，并且该影响主要受合金化元素含量的影响。Al元素的加入量一般较大，在含量为8.0%时，二元Mg-Al系合金的平均放电电位取得最负值。Sn和Bi元素的加入量不宜过高，放电电位随二者含量的增加明显正移，最佳含量均为0.2%。Zn和Yb元素最佳含量均为1.0%。极化曲线测试结果与恒流放电的结果一致。在各元素最佳含量基础上，制备了一系列四元镁合金，并与纯镁比较，最佳的四元合金为Mg-8.0%Al-0.2%Sn-1.0%Yb，其放电电位相比纯镁负移了56mV，阳极利用率提高近45%，兼具高的放电活性与阳极利用率，是较优的海水电池阳极材料。