Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России»

Российская академия наук ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ МЕХАНИКИ УРАЛЬСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК УДК 539.2 № госрегистрации 01201064960 Инв. № 78 УТВЕРЖДАЮ Директор ИМ УрО РАН, академик РАН ____________А.М. Липанов «08» ноября 2012 г. ОТЧЕТ О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы Шифр заявки «2010-1.1-121-083-061» Государственный контракт от «06» сентября 2010 г. № 14.740.11.0062 по теме: ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВОДОРОДА НА ФИЗИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕТАЛЛОВ ДЛЯ СОЗДАНИЯ НОВЫХ СИСТЕМ ХРАНЕНИЯ И АККУМУЛИРОВАНИЯ ВОДОРОДА (заключительный, этап № 3) Наименование этапа: «Экспериментальное исследование водородопроницаемости и водородоемкости металлических систем. Анализ результатов» Руководитель НИР, к.т.н. _________________ И.Н. Бурнышев Ижевск 2012 СПИСОК ОСНОВНЫХ ИСПОЛНИТЕЛЕЙ Руководитель НИР ведущий научный сотрудник, к.т.н. _____________И.Н. Бурнышев (Введение; разделы 3.1,3.2,3.4, 3.5; заключение) Ответственный исполнитель НИР главный научный сотрудник, д.т.н. ______________В.В. Тарасов (Введение; разделы 3.2; 3.5; заключение) Исполнители НИР: Профессор, д.т.н. ______________ Н.С. Сивцев (разделы 3.1. 3.5) Ведущий научный сотрудник, к.т.н. _____________Т.М. Махнева (раздел 3.4) Старший научный сотрудник, к.т.н. ____________В.В. Бесогонов (разделы 3.2, 3.5) Старший научный сотрудник, к.ф.-м.н. ______________Р.Г. Зонов (раздел 3.1) Старший научный сотрудник, к.т.н. _____________Д.Г. Калюжный (разделы 3.1, 3.2, 3.4) Ст. научный сотрудник, к.ф.-м.н. ______________А.Ю. Федотов (разделы 3.2) Младший научный сотрудник _____________И.Л. Нагорных (раздел .3.4) Ведущий инженер ___________О.М. Валиахметова (раздел 3.4.) Ведущий инженер _______________В.Ф. Лыс (раздел 3.1, 3.2) Аспирант _____________Е.А. Калентьев (раздел 3.4) ) Аспирант _____________А.Е. Постников (раздел 3.1) Аспирант _____________К.Н. Козлова (раздел 3.2) Аспирант _____________И.А. Печенкин (раздел 3.4) Аспирант ____________Е.В. Лукин (раздел 3.2) Студентка ______________Е.В. Зулева (раздел 3.2) Студент _____________ К.А. Иванов (раздел 3.2) Студент ______________В.И. Мальцев (раздел 3.2) Студент ____________Я.И. Косаренков (раздел 3.2) Студент _____________ Ю.Е. Маслов (раздел 3.2) Руководитель раздела 3.3 к.ф.-м.н., доцент Н.И. Лагунцов (раздел 3.3, заключение) Ответственный исполнитель раздела 3.3 научный сотрудник И.М. Курчатов (раздел 3.3) Исполнители раздела 3.3. Научный сотрудник А.В. Крюков (раздел 3.3) Инженер-исследователь _______ Д.В. Тимофеев (раздел 3.3) Инженер-исследователь И.Е. Скуридин (раздел 3.3) Нормоконтролер ___________И.Н. Черных РЕФЕРАТ Отчет 152 с., 73 рис., 8 табл., 84 библ. ВОДОРОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ, ВОДОРОДОЕМКОСТЬ, ГАЗОАНАЛИЗАТОР, АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ, СТРУКТУРНЫЙ И ФАЗОВЫЙ СОСТАВ, МОДИФИЦИРОВАНИЕ, ДИФФУЗИОННАЯ МЕТАЛЛИЗАЦИЯ, АНИЗОТРОПНЫЙ ГАЗОПЕРЕНОС, ДИФФУЗИЯ ГАЗОПРОНИЦАЕМОСТЬ, АНИЗОТРОПИЯ, ПОРИСТАЯ СРЕДА, СТЕНД, КОМПОЗИЦИОННАЯ МЕМБРАНА, НЕИЗОТРОПНОЕ РАССЕЯНИЕ ГАЗА, ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, МОЛЕКУЛЯРНАЯ ДИНАМИКА. В отчете представлены результаты исследований, выполненных по третьему (заключительному) этапу Государственного контракта № 14.740.11.0062 от 06 сентября 2010 по теме «Исследование влияния водорода на физические и механические характеристики металлов для создания новых систем хранения и аккумулирования водорода». Объектом исследований являлись сплавы на основе железа, титан, никель, цирконий металлы, а также металлокомпозиционные материалы, в том числе полученные методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) пористые среды, предназначенные для создания новых систем хранения и аккумулирования водорода. Целью заключительного этапа НИР является экспериментальное исследование водородопроницаемости и водородоемкости металлических систем и проведение анализа результатов, полученных при выполнении проекта. В соответствии с поставленной целью было необходимо решить следующие задачи: исследовать водородопроницаемость указанных выше металлов, в том числе с предварительно модифицированными поверхностями, определить водородоемкость пористых металлических материалов. В отчете приведены результаты исследований влияния плотности катодного тока, толщины мембран, химического и структурного состава металла и способа предварительной термической и химико-термической обработки, а также электроискрового легирования мембран на скорость выделения водорода на выходной стороне мембраны. Приведены результаты исследований по акустической эмиссии, обусловленной наводороживанием металла в процессе диффузии водорода через мембрану. В ходе работы было проведено экспериментальное исследование емкости пористых материалов, изготовленных по технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Проведено теоретическое исследования влияния сорбированного газа на внутренней поверхности пористой среды на перенос газа через пористые материалы, а также на время жизни молекул газа в пористой среде. Показано, что в совокупности неизотропное рассеяние газа на поверхности и сорбция могут объяснить как увеличение емкости пористой среды, так и несимметрический перенос в градиентных пористых средах. На основе разработанной модели, позволяющей рассчитывать процессы анизотропного газопереноса в асимметричных нанопористых мембранах, создана методика определения водородоемкости пористых сред. Доработан экспериментальный стенд для исследования водородопроницаемости и водородоемкости пористых сред. Проведены установочные эксперименты по определению аккумуляционных эффектов пористых сред. В рамках внебюджетного финансирования разработана установка для нанесения водородоустойчивых защитных покрытий диффузионной металлизацией в динамических насыщающих средах, выполнены исследования процессов алитирования и азотонауглероживания сплавов на основе железа. Дополнительно методом молекулярной динамики смоделировано поведение систем Fe-H, Ni-H, Al-H и Pd-H при деформации растяжением. Разработана программа внедрения результатов проекта в образовательный процесс. СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………9 ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОДОРОДОПРОНИЦАЕМОСТИ И ВОДОРОДОЕМКОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ………..12 3.1 Исследование водородопроницаемости железа, никеля, титана и циркония………………………………………………………….12 3.1.1 Разработка методики исследования водородопроницаемости на анализаторе G8 Galileo H ………………………………………………12 3.1.2 Исследование диффузионного потока катодного водорода через мембраны из сплавов на основе железа…………………………..20 3.1.3 Исследование выделения катодного водорода из металла при наблюдении под микроскопом……………………………………….29 3.1.4 Исследование водородопроницаемости и акустической эмиссии титана, никеля и циркония………………………………………39 3.1.5 Исследование выделения катодного водорода из металла при наблюдении под микроскопом………………………………………52 3.2 Исследование водородопроницаемости железа, никеля, титана и циркония с предварительно модифицированными поверхностями………………………………………………………………58 3.2.1 Водородопроницаемость сплавов на основе железа с модифицированными поверхностями химико-термической обработкой и электроискровым легированием………………………..58 3.2.2 Исследование водородопроницаемости железа и титана с предварительно модифицированными лазерным излучением поверхностями……………………………………………………………….68 3.3 Определение водородоемкости пористых металлических материалов…………………………………………………………………..78 3.3.1 Определение водородоемкости пористых сред…………………...78 3.3.2 Влияние сорбции на перенос в градиентной пористой среде…..94 3.4 Разработка методики нанесения водородоустойчивых защитных покрытий методом диффузионной метллизации…………105 3.4.1 Диффузионная металлизация алюминием конструкционных материалов в динамических насыщающих средах……………………105 3.4.2 Диффузионное азотонауглероживание сталей в динамических насыщающих средах………………………………………………………117 3.4.3 Численное моделирование влияния водорода на диаграммы растяжения кристаллов Al, Fe, Ni, Pd…………………………………..126 3.5 Разработка программы внедрения результатов НИР в образовательный процесс………………………………………………..134 ЗАКЛЮЧЕНИЕ по 3 этапу………………………………………………138 ИТОГОВОЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………140 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ…………………..145 ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ σ – среднеквадратичное отклонение; υ – коэффициент вариации; V – объем водорода; j – плотность тока; J – поток водорода через мембрану; Q – скорость выделения водорода; d – диаметр пузырька водорода /размер дефектов; l – толщина мембраны; D – коэффициент диффузии; сп – концентрация водорода на поверхности; τи – время задержки; p – водородоемкость; SН – растворимость водорода в металле; φ – концентрационный коэффициент; х – концентрация легирующего элемента; ЖМФ –жидкометаллическая фаза; ВО – водородное охрупчивание; ТПП – теоретический предел прочности; ОЦК-решетка – объемноцентрированая кубическая решетка; ГЦК-решетка – гранецентрированая кубическая решетка; АЭ – акустическая эмиссия; – скорость счета; t – время наводороживания; СВС – самораспространяющийся высокотемпературный синтез; ХТО – химико-термическая обработка; ω – скорость вращения; ЖКС –желтая кровяная соль; Т – температура обработки. ВВЕДЕНИЕ Разработка и создание конкурентноспособных надежных новых систем хранения и аккумулирования водорода не возможны без подробного исследования водородопроницаемости и водородоемкости материалов, применяемых в этих системах. Здесь возникает необходимость рассмотрения этих характеристик в двух аспектах. Во-первых, их исследование позволит разработать материалы, являющиеся эффективными накопителями водорода. С другой стороны информация об этих характеристиках является определяющей для выбора материала стенок контейнеров или хранилищ водорода. Для стенок хранилищ перспективными являются материалы, обладающие односторонней проводимостью водорода. Это может быть реализовано созданием композиционных мембран, например, металл или сплав с покрытием. Необходимость исследования водородопроницаемости и водородоемкости актуальна не только для водородной энергетики, но и для любых отраслей промышленности, объекты которых контактируют с водородсодержащими средами. Для металлических мембран водородопроницаемость и водородоемкость определяется состоянием поверхности. Изменяя состав или структурное состояние поверхностных слоев металла, можно повысить его каталитическую активность и изменить водородопроницаемость в ту или иную сторону. В связи с этим интерес представляет модифицирование поверхности любым известным способом (например, лазерным излучением) и исследование влияния водорода на свойства модифицированного металла. В настоящее время наиболее перспективными для аккумулирования водорода и выделения его из газовых смесей считаются пористые среды на основе СВС-керамик. В последнее время интерес вызывают композиционные мембраны с градиентом пористости, когда характеристики среды (радиус пор, пористость) меняются в заданном направлении по некоторому закону, вызывают все больший интерес. Композиционные мембраны, полученные методом СВС-технологии, являются перспективными для получении значительных по величине эффектов газопереноса и катализа, поскольку поверхность пор, получаемая в результате СВС-процесса, имеет своеобразные свойства (значительная шероховатость, сложные по геометрии структурные элементы пористой матрицы и т. п.). В таких мембранах обнаружены явления несимметрического газопереноса, которые были подробно рассмотрены на первых этапах выполнения контракта. Для расчета процесса анизотропного газопереноса в асимметричных нанопористых мембранах возникает необходимость создания модели, адекватно описывающей газоперенос через трековую мембрану в свободномолекулярном режиме течения, и на основе которой будет создана методика определения водородоемкости пористых сред и проведены установочные эксперименты по определению аккумуляционных эффектов. В ходе выполнения заключительного этапа проекта проведены соответствующие исследования по проблематике взаимодействия водорода с металлами и пористыми средами на основе CВC-керамики. Эти исследования являются еще одним шагом по пути создания новых систем хранения и аккумулирования водорода. При выполнении заключительного этапа проекта были продолжены не запланированные в календарном плане молекулярно-динамические расчеты влияния водорода на предел прочности кристаллов железа, никеля, алюминия и палладия. Раздел 3.1 посвящен исследованию водородопроницаемости сплавов на основе железа, а также титана, никеля, циркония. Основное внимание уделено сплавам на основе железа и титана. Описаны методы измерения потока водорода через мембраны. Изучено влияние плотности катодного тока, толщины мембраны и ее структурного состояния на поток водорода. Параллельно проводились исследования акустической эмиссии, сопровождающей перенос водорода через мембрану. Исследована взаимосвязь между процессами наводороживания, акустической эмиссией и повреждаемостью металла. В разделе 3.2 приведены результаты исследований влияния способов модифицирования поверхности мембран на их водородопроницаемость. Для изменения поверхностного состава мембран применялись диффузионная металлизация, электроискровое легирование и обработка поверхности лазерным излучением. Установлено, что наибольшее снижение потока водорода, проходящего через модифицированную мембрану, получено после диффузионного борирования. Электроискровое легирование алюминием и медью, а также обработка поверхности мембран лазерным лучом менее эффективно влияют на выделение водорода. В разделе 3.3 приводятся методики и экспериментальные результаты водородоемкости пористых сред в температурном диапазоне (25 – 105) ⁰С. Рассмотрено влияние сорбции на перенос водорода в градиентной пористой среде. Показано, что водородоемкость исследованных образцов недостаточна для непосредственно хранения водорода в исследованных пористых материалах, но такие пористые среды перспективны в качестве барьерных слоев для предотвращения быстрого вымывания газа из хранилищ. В разделе 3.4 рассмотрены методы диффузионной металлизации металлов и сплавов в порошковых насыщающих средах. Описана установка для нанесения диффузионных покрытий в динамических средах, позволяющая в 2 раза сократить технологический процесс обработки. Исследованы зависимости толщины формирующихся покрытий от температурно-временных параметров обработки и от состава насыщающих смесей. Выполнены молекулярно-динамические расчеты, направленные на исследование влияния водорода на теоретическую прочность кристаллов железа, никеля, алюминия и палладия. Установлено, что водород снижает теоретический предел прочности на (30 – 50) %. В разделе 3.5 приведена программа внедрения результатов, полученных при выполнении проекта, в образовательный процесс.

Похожие:

	Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы		Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы
	Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы		Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы
	Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы		Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы
	Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы		Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы
	Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы		Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы
	Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования		Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
	Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... Санкт-петербургский государственный электротехнический университет «лэти» им. В. И. Ульянова (ленина)		Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
	Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования		Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... «Разработка новых методов индивидуальной коррекции сводно-радикального статуса при бактериальных инфекциях»