Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов
Основан в 2009 году


Специфика структуры эффективных мембранных сплавов на основе ниобия, ванадия и циркония

Э.Д. Курбанова, Р.М. Белякова, В.А. Полухин

ФГБУН «Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук»

DOI: 10.26456/pcascnn/2021.13.728

Оригинальная статья

Аннотация: Аморфные, нанокристаллические мембранные сплавы на основе элементов V группы с уникальными механическими и функциональными свойствами и с матричной дуплексной микроструктурой активно способствуют развитию водородной энергетики. Имеются еще не вполне разрешенные проблемы для этих новых сплавов – их низкая термическая стабильность, недосточная механическая прочность (пластичность, твердость), а также охрупчивание интерметаллидное и гидридное. Для эффективного применения разрабатываются сплавы с тройным составом – в которые помимо элементов V группы входят и легирующие металлы никель и титан. Получают не только аморфные и нанокристаллические сплавы, применимые в электронике и электроэнергетике, а также мембранные сплавы с дуплексной матричной структурой, объединяющей аморфные, так нано- и квазикристаллические дендритно упрочняющие фазы, как упрочняющие аморфную матрицу. В специализируемых мембранных тройных сплавах формируются соединения NiTi и NiTi2 , стабилизирующие и предохраняющие нано- и кристаллические мембраны от хрупкого разрушения. Установлено, что интенсивное образование гидридов в этих альтернативных мембранных сплавах столь же не желательно, как и для традиционных сплавов на основе палладия. Рассматриваемые сплавы действительно позволяют получить газообразный водород высокой чистоты с применением новых составов взамен дорогостоящих мембран на основе сплавов Pd–Au / Ag /Cu.

Ключевые слова: аморфные и нанокристаллические сплавы, никель, титан, цирконий, ниобий, структуризация, мембранное разделение газов, очистка водорода, растворимость, проницаемость водорода, аккумуляция, термостабильность, хрупкость, кристаллизация, моделирование, диффузия, нанофазы, гидриды Me–H, охрупчивание, дуплексная матричная микроструктура

  • Курбанова Эльмира Джумшудовна – к.х.н., научный сотрудник, ФГБУН «Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук»
  • Белякова Римма Михайловна – к.т.н., старший научный сотрудник, ФГБУН «Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук»
  • Полухин Валерий Анатольевич – д.ф.-м.н., главный научный сотрудник, ФГБУН «Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук»

Ссылка на статью:

Курбанова, Э.Д. Специфика структуры эффективных мембранных сплавов на основе ниобия, ванадия и циркония / Э.Д. Курбанова, Р.М. Белякова, В.А. Полухин // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — Тверь: Твер. гос. ун-т, 2021. — Вып. 13. — С. 728-739. DOI: 10.26456/pcascnn/2021.13.728.

Полный текст: загрузить PDF файл

Библиографический список:

1. Рalumbo, O. Hydrogen absorption properties of amorphous (Ni0,6Nb0,4-yTay)100-yZrx membranes / O. Рalumbo, F. Trequattrini, N. Pal et al. // Progress in Natural Science: Materials International. – 2017. – V. 27. – I. 1. – Р. 126-131. DOI: 10.1016/j.pnsc.2017.01.002.
2. Jiang, P. Effect of partial Ni substitution in V85Ni15 by Ti on microstructure, mechanical properties and hydrogen permeability of V– based bcc alloy membranes. / P. Jiang, B. Sun, H. Wang et al. // Materials Research Express. – 2020. – V. 7. – Art. № 066505. – 11 p. DOI: 10.1088/2053-1591/ab98ca.
3. Yan, E. Design of hydrogen permeable Nb–Ni–Ti alloys by correlating the microstructures, solidification paths and hydrogen permeability / E. Yan, X. Li, M. Rettenmayr et al. // International Journal of Hydrogen Energy. – 2014. – V. 39. – I. 7. – P. 3505-3516. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2013.12.060.
4. Dai, Y. Glass-forming region of the Ni–Nb–Ta ternary metal system determined directly from n–body potential through molecular dynamics simulations / Y. Dai, J.H. Li, X.L. Che, B.X. Liu // Journal of Materials Research. – 2009. – V. 24. – I. 5. – P. 1815-1819. DOI: 10.1557/jmr.2009.0198.
5. Luo, W. Hydrogen permeable Ta–Ti–Ni duplex phase alloys with high resistance to hydrogen embrittlement / W. Luo, K. Ishikawa, K. Aoki // Journal of Alloys and Compounds. – 2008. – V. 460. – I. 1-2. – P. 353-356. DOI: 10.1016/j.jallcom.2007.06.061.
6. Polukhin, V.A. Spatial arrangement of the fragmented phases in nanostructured 3d metal alloys during a change in the melt composition and cooling conditions / V.A. Polukhin, R.M. Belyakova, L.K. Rigmant // Russian Metallurgy (Metally). – 2010. – V. 2010. – I. 8. – P. 681-698. DOI: 10.1134/S0036029510080045.
7. Polukhin, V.A. Short-range order and character of atom motion in liquid-metals / V.A. Polukhin, M.M. Dzugutov, A.M. Evseev et al. // Doklady Akademii Nauk SSSR. – 1975. – V. 223. – № 3. – P. 650-652.
8. McCluskey, P.J. Glass transition and crystallization of amorphous Ni–Ti–Zr thinfilms by combinatorial nano-calorimetry / P.J. McCluskey, J.J. Vlassak // Scripta Materialia. – 2011. – V. 64. – I. 3. – P. 264-267. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2010.10.008.
9. McCluskey, P.J. Precipitation and thermal fatigue in Ni–Ti–Zr shape memory alloy thin films by combinatorial nanocalorimetry / P.J. McCluskey, C. Zhao, O. Kfir, J.J. Vlassak // Acta Materialia. – 2011. – V. 59. – I. 13. – P. 5116-5124. DOI: 10.1016/j.actamat.2011.04.043.
10. McCluskey, P.J. Nano-thermal transport array: An instrument for combinatorial measurements of heat transfer in nanoscale films / P.J. McCluskey, J.J. Vlassak // Thin Solid Films. – 2010. – V. 518. – I. 23. – P. 7093-7106. DOI: 10.1016/j.tsf.2010.05.124.
11. Li, X. Changes in microstructure, ductility and hydrogen permeability of Nb–(Ti,Hf)Ni alloy membranes by the substitution of Ti by Hf / X. Li, D. Liu, R. Chen et al. // Journal of Membrane Science. – 2015. – V. 484. – P. 47-56. DOI: 10.1016/j.memsci.2015.03.002.
12. Saeki, Y. Relationship between hydrogen permeation and microstructure in Nb–TiNi two-phase alloys / Y. Saeki, Y. Yamada, K. Ishikawa // International Journal of Hydrogen Energy. – 2014. – V. 39. – I. 23. – P. 12024-12030. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2014.05.192.
13. Полухин, В.А. Водородопроницаемость аморфных, нано- и кристаллических сплавов на основе железа и никеля / В.А. Полухин, Н.И. Сидоров, Р.М. Белякова // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2020. – Вып. 12. – С. 457-473. DOI: 10.26456/pcascnn/2020.12.457.
14. Liu, D.M. Development of Nb35Mo5Ti30Ni30 alloy membrane for hydrogen separation applications / D.M. Liu, X.Z. Li, H.Y. Geng et al. // Journal of Membrane Science. – 2018. – V. 553. – P. 171-179. DOI: 10.1016/j.memsci.2018.02.052.
15. Vatolin, N.A. Simulation of the influence of hydrogen on the structural properties of amorphous iron / N.A. Vatolin, V.A. Polukhin, R.M. Belyakova, E.A. Pastukhov // Materials Science and Engineering. – 1988. – V. 99. – I. 1-2. – P. 551-554. DOI: 10.1016/0025-5416(88)90396-5.
16. Song, G. V Ni–Ti multi-phase alloy membranes for hydrogen purification / G. Song, M.D. Dolan, M.E. Kellam et al. // Journal of Alloys and Compounds. – 2011. – V. 509. – I. 38. – P. 9322-9328. DOI: 10.1016/j.jallcom.2011.07.020.
17. Dolan, M.D. Hydrogen transport properties of several vanadium-based binary alloys / M.D. Dolan, M.E. Kellam, K.G. McLennan, D. Liang, G. Song // International Journal of Hydrogen Energy. – 2013. – V. 38. – I. 23. – P. 9794-9799. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2013.05.073.
18. Tosti, S. Overview of Pd -based membranes for producing pure hydrogen and state of art at ENEA laboratories / S. Tosti // International Journal of Hydrogen Energy. – 2010. – V. 35. – I. 22. – P. 12650-12659. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2010.07.116.
19. Hara, S. Application of extended permeability to a thick palladium membrane / S. Hara, M. Ishitsuka, H. Suda, M. Mukaida, K. Haraya // Advanced Materials Research. – 2010. – V. 117. – P. 81-85. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.117.81.
20. Pastukhov, E.A. Short order and transport in amorphous palladium materials / E.A. Pastukhov, N.I. Sidorov, V.A. Polukhin, V.P. Chentsov // Defect and Diffusion Forum. – 2009. – V. 283-286. – P. 149-154. DOI: 10.4028/www.scientific.net/DDF.283-286.149.
21. Suryanarayana, C. Bulk metallic glasses / C. Suryanarayana, A. Inoue. – 2nd ed. – Boca Raton, London, New York: CRC Press, 2017. – 542 p. DOI: 10.1201/9781315153483.
22. Ding, H.Y. Hydrogen permeable Nb–based amorphous alloys with high thermal stability materials transactions / H.Y. Ding, W. Zhang, S.I. Yamaura, K.F. Yao // Materials Transactions. – 2013. – V. 54. – I. 8. – P. 1330-1334. DOI: 10.2320/matertrans.MF201310.
23. Polukhin, V.A. Presolidification changes in the structural–dynamic characteristics of glass-forming metallic melts during deep cooling, vitrification, and hydrogenation / V.A. Polukhin, N.I. Sidorov, N.A. Vatolin // Russian Metallurgy (Metally). – 2019. – V. 2019. – I. 8. – P. 758-780. DOI: 10.1134/S0036029519080123.
24. Ozaki, T. Hydrogen permeation characteristics of V–Ni–Al alloys / T. Ozaki, Y. Zhang, M. Komaki, C. Nishimura // International Journal of Hydrogen Energy. – 2003. – V. 28. – I. 11. – P. 1229-1235. DOI: 10.1016/S0360-3199(02)00251-3.
25. Suzuki, A. A Review for consistent analysis of hydrogen permeability through dense metallic membranes / A. Suzuki, H.A. Yukawa // Membranes. – 2020. – V. 10. – I. 6. – Art. № 120. – 20 p. DOI: 10.3390/membranes10060120.
26. Полухин, В.А. Моделирование разупорядоченных и наноструктурированных фаз / В.А. Полухин, Н.А. Ватолин. – Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 2011. – 462 с.
27. Kozhakhmetov, S. Alloys based on group 5 metals for hydrogen purification membranes / S. Kozhakhmetov, N. Sidorov, V. Piven et al. // Journal of Alloys and Compounds. – 2015. – V. 645. – Supplement 1. – P. S36-S40. DOI: 10.1016/j.jallcom.2015.01.242.
28. Veleckis, E. Thermodynamic properties in the systems vanadium-hydrogen, niobium-hydrogen, and tantalum- hydrogen / E. Veleckis, R.K. Edwards // The Journal of Physical Chemistry. – 1969. –V. 73. – № 3. – P. 683-692. DOI: 10.1021/j100723a033.
29. Sipatov, I.S. Hydrogen permeability and structure of vanadium alloy membranes / I.S. Sipatov, N.I. Sidorov, E.A. Pastukhov et al. // Petroleum Chemistry. – 2017. – V. 57. – I. 6. – P. 483-488. DOI: 10.1134/S096554411706010X.
30. Belyakova, R.M. Effect of hydrogen on the interatomic interactions of elements in metal alloys and the physicochemical properties of the related articles / R.M. Belyakova, V.A. Polukhin, L.K. Rigmant // Russian Metallurgy (Metally). – 2020. – V. 2020. – I. 8. – P. 859-869. DOI: 10.1134/S0036029520080030.
31. Polukhin, V.A. Formation of a intermediate order in metallic glasses and a long order in nanocrystalline alloys with allowance for the character of binding and the transformation of the short order in a melt / V.A. Polukhin, E.D. Kurbanova, N.A. Vatolin // Russian Metallurgy (Metally). – 2018. – V. 2018. – I. 2. – P. 95-109. DOI: 10.1134/S0036029518020167.

⇐ Предыдущая статья | Содержание | Следующая статья ⇒