Al/Zr-V/Mo和Al/Zr-V-D/Mo多层膜的制备及贮氢性能研究

来源 :中国工程物理研究院 | 被引量 : 0次 | 上传用户:aaatzh
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ZrV2是一种性能优异的贮氢材料,具有吸氢容易,室温吸氢平衡压低,且吸氢后不改变主相的晶格类型,只是晶格膨胀,是一种非常具有潜在应用价值的贮氢材料。但表面活性高,在空气中容易吸附其它杂质气体,当选其作膜材料时,膜表面吸附杂质气体量会大大增加,不利于它在实际中的应用。 本文试图通过在Zr-V膜表面覆盖一层Al膜来改变Zr-V膜的表面活性,研究Al膜对Zr-V膜吸放氢性能的影响。 开展了Al/Zr-V/Mo和Al/Zr-V-D/Mo膜的制备与吸(放)氘性能研究,有关在氘化后的Zr-V膜表面镀Al膜以改变Zr-V膜表面特性的研究思路,尚未见报道。 通过的对阻氢膜的调研选定Al膜作为在Zr-V膜表面的研究对象,采用电阻蒸镀的方法成功的制备出了Al/Zr-V/Mo膜,对其XRD分析结果表明主要由立方相Al、α-Zr基固溶体、β-Zr基固溶体、C15型ZrV2金属间化合物和V基固溶体构成,其中Zr基固溶体含量最大。Al膜采用工艺一(底衬加热到600℃,蒸发电流100A)制备的Al/Zr-V/Mo膜表面基本均匀,但分布有许多大小不一的颗粒。XPS分析结果表明,表面的Al主要以Al2O3存在,内层的Al单质已经混入Zr-V层中。在内层有制备Al膜前空气氧化产生的Zr氧化物存在。Mo已扩散至Al膜表面,从Al膜表面至Zr-V层Mo的相对含量逐渐升高。采用工艺二制备的Al膜(底衬加热到400℃,蒸发电流65A),表面分布除有的少量颗粒外,其它地方都非常均匀平整,无裂痕,也看不出晶粒间界。在吸氘后的Zr-V膜表面采用工艺三制备的Al膜(底衬不加热,蒸发电流65A)表面非常粗糙不平,分布有许多较小的颗粒。对三种Al膜制备工艺制备的Al/Zr-V/Mo和Al/Zr-V-D/Mo膜的SEM分析结果表明降低Al膜的蒸发速率有利于减少Al膜表面的颗粒。降低底衬的温度将使Al膜表面的颗粒不易聚集长大,但温度过低会使Al蒸汽在表面凝结成小颗粒。因此Al膜的较佳制备工艺宜采用蒸发电流65A,底衬加热400℃的镀膜工艺。 对多层膜吸氘前的除气实验表明:铝膜的除气峰比铝体材的除气峰单一,主要在320℃左右产生尖峰,随后转入缓慢脱附。Zr-V膜的除气峰有两个,一个类似于ZrV2体材在350℃的峰,另一个出现在220℃,都是以尖峰形式出现,与体材的解析峰有着很大不同。Al/Zr-V膜的除气峰,当铝层小于0.6μm时类似于Zr-V膜,大于0.6μm时类似于铝膜。多层膜的吸氘量随铝膜的厚度增加逐步减小,直到铝膜厚度达到0.6μm之后吸氘量不再有大的变化,但有小幅波动。多层膜的吸A吃r-V乃吐。多层膜的制备与贮氢性能研究氖速率,当铝膜厚度小于0.6林m时,在初始阶段快速吸氖,一直到近饱和,然后迅速减小转入慢速吸氖并维持该吸氖速率直至平衡,但也有一部分多层膜的吸氖速率变化行为同Zr-V膜类似,只是吸氖速率大小随Al膜厚度的增加而降低。Al膜厚度大于0.6娜的AI膜时,吸氖速率大大降低是一个近似匀速的吸氖反应过程。用A1膜的制备工艺二制备的多层膜样品和工艺一制备的Al亿r一V/Mo膜样品在吸氖行为上完全相同,因此两种Al膜制备工艺制备的多层膜的区别只是在表面,吸氖性能完全相同。A吃r-V/Mo膜在常温下多层膜吸氖后,在升温条件下其吸氖速率非常缓慢或者基本不吸氖。氖在多层膜中的扩散系数普遍比Zr一V膜低,而且随着Al膜厚度的增加扩散系数降低很快。当Al膜厚度大于0.6卜m时,扩散系数己降低了一个数量级,之后随Al膜厚度的增加,扩散系数不再有较大的变化。多层膜吸氖后,在温度上升到100’C时开始加速解吸。250℃之后转入解吸平台,不同厚度和不同镀膜工艺制备的Al膜的多层膜的解吸行为大体都相似,与Zr-V膜的解吸行为也非常相似。因此在现有工艺条件下采用先镀Al膜再对Al/Z r-V/M。膜氖化的方法在Al膜厚度大于0.6脚时可以明显阻止氖与zr-v膜的反应,但一经氖化就不再能够改变其表面活性。 Al亿r-V-D从。膜的解吸,在温度升高到200℃以上才观察到有气体解吸出来,温度升高到400℃以后,多层膜的解吸行为才开始与Zr一V膜相同,均在500℃左右转入第二个加速解吸阶段,之后转入解吸平台直至温度升高到600℃。Al亿r一V-D从。膜在解吸过程中随温度升高到200℃以上时,表面的A12O3受Al层的热膨胀以及AI层和Zr-V膜间聚集的氖的共同作用下开裂。不同Al膜厚度和吸氖量的Al/Zr一V-D/M0膜,其初始解吸气体的温度随Al膜厚度的增加而降低,随第一个解吸平台压的增加而降低。据此,由Al膜厚度和第一个解吸平台压之积的倒数对初始解吸气体温度进行的拟合结果基本成线性关系。因此,可得出通过在Zr-V膜表面先氖化再镀AI的方法完全可以解决Zr一V膜表面活性高的问题,这为进一步的应用研究奠定了基础。
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