新型稀土系儲(chǔ)氫合金的粉化、膨脹和傳熱特性的研究.pdf

1、稀土系儲(chǔ)氫合金在能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換、制氫工業(yè)等領(lǐng)域均有重要作用。長期以來，由于對(duì)儲(chǔ)氫合金自身特性等方面的基礎(chǔ)研究仍有不足，限制了其實(shí)用化的深度與廣度。本文通過對(duì)儲(chǔ)氫合金的粉化特性、薄壁反應(yīng)床對(duì)合金吸氫膨脹的響應(yīng)特性的研究，設(shè)計(jì)高可靠性的薄壁反應(yīng)床結(jié)構(gòu)單元；對(duì)床體在循環(huán)過程中的傳熱性能進(jìn)行理論和試驗(yàn)研究，并以熱驅(qū)動(dòng)型金屬氫化物空調(diào)系統(tǒng)為應(yīng)用對(duì)象，對(duì)大功率、高效率儲(chǔ)氫合金反應(yīng)床的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行了探討。 (1)總結(jié)了儲(chǔ)氫合金的開發(fā)準(zhǔn)則，制備

2、了新型稀土系儲(chǔ)氫合金LaNi4.61Mn0.26Al0.13/La0.6Y0.4Ni4.8Mn0.2并實(shí)測其平臺(tái)特性、吸放氫滯后程度和吸氫動(dòng)力學(xué)性能，驗(yàn)證了高溫?cái)U(kuò)散退火熱處理工藝對(duì)合金平臺(tái)斜率的改善作用；預(yù)測以該合金對(duì)為工質(zhì)的熱驅(qū)動(dòng)型空調(diào)系統(tǒng)的理論性能。 (2)借助激光衍射法和顯微鏡法，定量研究了熱處理工藝、初始粒徑、循環(huán)次數(shù)等參數(shù)對(duì)上述儲(chǔ)氫合金粉化特性的影響；并采用函數(shù)方法描述了粉化合金粒度分布及其變化規(guī)律，從而為準(zhǔn)確描述儲(chǔ)氫

3、合金粉化特性和粉化產(chǎn)物提供了數(shù)學(xué)工具；實(shí)測的高、低溫合金粉化顆粒的分布密度函數(shù)近似呈三峰不交的對(duì)數(shù)正態(tài)分布。通過研究粉化合金的形成機(jī)理和分布特點(diǎn)，證明它是由極粗粒、粗粒、細(xì)粒和微細(xì)顆粒四種分布組成的多分散體系，分別為合金偏析、體積粉碎、體積和表面粉碎綜合作用、以及表面粉碎的結(jié)果；其中微細(xì)顆粒為取決于合金自身性質(zhì)的穩(wěn)定成分，粗粒和細(xì)粒不僅取決于合金性質(zhì)、還與熱處理和循環(huán)條件直接相關(guān)；從而為合金粉化機(jī)理和粉化產(chǎn)物提供細(xì)節(jié)認(rèn)知。 (3

4、)借助應(yīng)變測量手段研究圓柱型薄壁反應(yīng)床對(duì)合金吸氫膨脹的響應(yīng)特性，通過測量循環(huán)次數(shù)、測點(diǎn)位置、含氫量、初始填充率和床體放置形式等參數(shù)對(duì)床壁應(yīng)變的影響，總結(jié)了橫、豎置反應(yīng)床對(duì)合金膨脹的響應(yīng)規(guī)律。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，提出并驗(yàn)證了床壁與合金粉末摩擦力主導(dǎo)的“循環(huán)壓縮效應(yīng)”，并證明床體長徑比、合金循環(huán)次數(shù)、傳質(zhì)能力、體積膨脹系數(shù)和壁面摩擦系數(shù)的提高均促進(jìn)了循環(huán)壓縮效應(yīng)。提出儲(chǔ)氫合金反應(yīng)床應(yīng)力積累機(jī)理，歸納了提高反應(yīng)床可靠性的三種主要手段及具體措施，并總

5、結(jié)了薄壁反應(yīng)床的最佳填充率和工作條件。根據(jù)應(yīng)力積累機(jī)理設(shè)計(jì)和測試了能夠滿足長期可靠工作要求的鋸齒肋片式單芯片結(jié)構(gòu)，用于儲(chǔ)氫合金反應(yīng)床的結(jié)構(gòu)和功能單元。 (4)搭建熱導(dǎo)率試驗(yàn)臺(tái)，定量研究了填充La0.6Y0.4Ni4.8Mn0.2的鋸齒肋片式反應(yīng)床在循環(huán)過程中的導(dǎo)熱性能。結(jié)合反應(yīng)床整體的傳熱特性試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值方法，間接計(jì)算出無傳熱強(qiáng)化措施的合金粉末的有效熱導(dǎo)率；計(jì)算結(jié)果表明：在正常工作的氫壓下，粉體自身熱導(dǎo)率能夠滿足使用要求，而換