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氢气具有热值高、可循环利用以及无环境污染等优点,被视为21世纪最具发展潜力的能源。氢气的来源途径多,如水的电解或光解、天然气重整和水煤气转换等,但由此制取的氢气中含有较多杂质气体,必须进一步提纯和净化,才能得到满足工业应用要求的高纯度氢气。通过膜分离方法是制备高纯度氢气的重要途径。目前工业上应用的膜材料主要是贵金属钯（Pd）及其合金,但是Pd资源稀缺、价格昂贵。近年来,基于5B族金属V/Nb/Ta开发的渗氢合金被认为是最有希望取代贵金属Pd的新型低成本氢气提纯膜材料。由于5B族金属及其合金表面缺乏氢分子解离为氢原子的催化活性,往往需要在其表面施镀纳米厚度的Pd作为催化层,形成Pd/5B族金属（合金）/Pd复合膜,来实现氢气渗透和提纯。考虑到制氢方法的差异,通常要求复合膜在宽温域内具有优异的渗氢性能和持久稳定性。然而,此类复合膜在400°C以上的高温下渗氢时会出现表面催化层Pd与基体金属的互扩散,影响渗氢性能。深入理解复合膜在高温下的界面互扩散行为与机制及其对渗氢性能的影响规律,是本领域一直关注的重点科学问题。本文选择课题组前期开发的Nb30Ti35Co35共晶合金作为基体,系统研究Pd/Nb30Ti35Co35/Pd复合膜在宽温域氢气渗透过程的组织和性能稳定性。在400°C以下的“低温域”,不存在界面互扩散且Pd的催化解离不是渗氢的限速步骤。但复合膜低温域使用,Nb30Ti35Co35基体合金伴随低氢扩散和高氢溶解特征,导致氢渗透性能不足和氢脆敏感性高等问题。因此,本文首先考察基体合金不同类型组织与渗氢性能的定量关系,再探寻同时提高渗氢性能和持久稳定性的新思路。在400°C以上的“高温域”,重点考察复合膜持久氢渗透过程Pd与Nb30Ti35Co35基体的界面扩散动力学及其对渗氢性能的影响规律;进一步在Pd与基体合金之间引入Hf N中间层,系统考察不同Hf N厚度对界面扩散以及高温持久渗氢性能的影响规律。针对适用于低温域（≤400°C）的Pd/Nb30Ti35Co35/Pd复合膜,利用整体凝固、定向凝固、轧制和热处理加工等手段,获得了Nb30Ti35Co35基体合金的四大类典型共晶组织。其中,整体凝固条件下获得bcc-（Nb,Ti）和B2-Ti Co两相层片状结构无序分布的“随机”组织;定向凝固条件下获得两相有序分布的“平行”组织;轧制条件下获得两相叠层分布的“并联”组织;轧态合金高温热处理后得到由bcc-（Nb,Ti）孤立分布于B2-Ti Co的两相“隔离”组织。系统研究了具有不同组织的Nb30Ti35Co35基体对复合膜渗氢性能的影响规律,并利用等效传热模型,构建了组织与渗氢性能的定量关系模型,与实验结果吻合较好。结果表明,定向凝固条件下Nb30Ti35Co35基体内部两相平行于渗氢方向时,复合膜具有优异的渗氢性能。其中,在400°C时渗氢系数达到4.26×10-8 mol H2 m-1s-1Pa-0.5,是铸态Nb30Ti35Co35渗氢系数的1.6倍,纯Pd性能的2.7倍,且在120 h的持久氢渗透过程表现出优异的氢渗透稳定性。系统研究了Pd/Nb30Ti35Co35/Pd复合膜在高温域（＞400°C）持久氢渗透过程组织和性能稳定性。发现,在450°C,氢渗透流量出现轻微衰退,330 h后的氢渗透流量是初始稳态值的88.5%。在500°C,氢渗透流量出现较大衰退,330 h后的氢渗透流量是初始稳态值的27%。当温度超过550°C,氢渗透流量出现剧烈衰退,不足150 h流量即衰减为0。复合膜在高温域渗氢时出现的流量衰退与表层Pd和基体Nb30Ti35Co35的界面互扩散密切相关。另外,当温度超过550°C,还出现了表层Pd膜的团聚行为,导致Pd在合金基体表面的覆盖度下降,减少了氢分子解离有效面积。利用扩散偶模型,构建了界面互扩散动力学参数与氢渗透流量的定量关系模型,获得了互扩散对流量影响的权重因子fb（t）。使用COMSOL软件计算了Pd层团聚后,Pd颗粒不同分布状态对氢渗透流量影响的数学模型,获得了表面Pd团聚对流量影响的权重因子f Pd（t）。将二者结合,得到复合膜高温域渗氢时流量衰退随时间变化的定量预测模型,与实验结果吻合较好。为了解决Pd/Nb30Ti35Co35/Pd复合膜高温域渗氢时的界面互扩散及其导致的渗氢流量衰退问题,在表层Pd与基体Nb30Ti35Co35之间引入Hf N扩散阻挡层,系统研究了50、100和200 nm三种厚度的Hf N阻挡层对复合膜高温域渗氢时组织与性能的影响规律。表明,在500°C,50 nm的Hf N即可有效抑制表层Pd与基体合金的界面互扩散,Pd/Hf N/Nb30Ti35Co35/Hf N/Pd复合膜表现出优异的氢渗透稳定性,在100 h的持久渗氢过程不出现流量衰退现象。但是,Hf N的引入降低了复合膜的绝对氢渗透流量。在550°C,Hf N的引入在一定程度上缓解了Pd与基体合金的界面互扩散程度。Hf N厚度越大,互扩散程度越弱,Pd/Hf N/Nb30Ti35Co35/Hf N/Pd复合膜的渗氢流量衰退程度更低,但绝对渗氢流量也越小。在600°C,即使200nm厚度的Hf N引入,复合膜仍然存在严重的界面互扩散以及剧烈的渗氢流量衰退,100 h后的渗氢流量仅为初始的12%。在上述复合膜高温氢渗透流量衰退预测模型的基础上,耦合了扩散阻挡层对界面互扩散系数和渗氢流量的影响,为强化复合膜高温持久氢渗透稳定性提供了依据。