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复合材料是指有连续的基体与分散的增强材料组合的多相材料,其中呈连续分布的相称结合相,而间断分布的相称增强相。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:铝水反应的新型制氢复合材料探究相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
【摘要】:研究了铝基复合材料在铝水反应过程中的制氢性能,所用的铝基复合材料由高能机械球磨法制备。发现在Al-Bi-Na Cl体系中添加少量的碱金属(锂、钠、钾)或氢化物(Li Al H4、Li BH4)后,材料在室温下纯水中的放氢量和放氢速率都有了很大提高,通过调整掺杂物的种类和添加量,得到性能相对最佳的铝基复合材料拥有高达2 016 m L/(min·g)的初始放氢速率,并且能在1 min内放出几乎全部的理论产氢量。
【关键词】: 制氢 铝基材料 球磨 铝水反应
随着化石燃料的不断消耗和对环境威胁的加剧,洁净无污染的氢能利用技术以令人惊奇的速度快速发展。直接压缩低温液氢法储氢能力较强,但储存和运输过程中的液氢气化、泄露等问题严重制约了其在民用领域的推广。其他常用的储氢方法如金属氢化物储氢、碳纳米管储氢、金属有机化合物储氢等依然存在循环稳定性和热力学性能差等缺陷,无法满足现实需求。而近年来受到关注的硼氢化钠水解制氢虽然有着储氢量高、产氢纯度高等优点,但是其价格昂贵、催化剂易中毒等缺陷却阻碍了其进一步的推广应用。与其他制氢手段相比较,金属水解制氢具有能量密度大,单位质量体积小,易保存易运输等优点,是一种很有潜力的制氢方式。
其中,金属铝原料资源丰富,价格低廉,有利于大量生产和推广。铝与水反应置换出氢气,水解过程安全稳定,氢气纯度高,无有毒气体产生,清洁无污染,同时具有很高的理论产氢量(1 245 mL/g)。虽然铝水反应在热力学意义上能够自发进行,但是新鲜的铝表面会迅速生成一层致密的氧化膜,阻止水解反应的进一步进行。所以如何破除这层氧化膜,是铝基水解制氢材料在室温下应用的关键问题。向反应系统中加入碱是一个促进反应进行的简单而有效的办法,而碱溶液的运用将对装置设备和使用人员造成潜在的危害,需要进一步的工作来改善这个问题。Soler等人报道了一种使用铝在海水中悬浮铝酸钠溶液的制氢系统。结果表明,当使用NaAlO2和Na2SnO3代替NaOH在铝水反应中的催化作用时,在同样的pH 条件下,使用Na2SnO3代替NaOH 能提高氢气的产生速率。
Dai等人将NaOH 和Na2SnO3的组合使用,有效提高了铝水反应系统的产氢速率,显著减少了NaOH 溶液的浓度,兼顾了铝水反应的动力学性能和碱腐蚀问题。另一方面,为彻底摆脱碱性溶液对系统装置的负面影响,最好的办法是使用中性的溶液或是单纯的水来直接与铝进行反应。范美强等人采用熔炼和球磨的方法向纯铝中掺杂了多种低熔点金属来提高铝基制氢材料活性。其中,使用30∶1 的球料比和5 h 球磨时间制备的Al-10%Bi-5%NaCl (质量分数) 样品,在20 min 内转化率可达到85.4%。本文在前期工作基础之上,通过改进球磨参数,细化成分比例,得到了性能更好的铝- 铋- 氯化钠复合材料。同时在此基础上,通过添加少量碱金属或氢化物得到了具有更高的能量密度和放氢速率的复合材料,适用于实时供氢等方面的应用。另外,测试了铝- 铋- 氯化钠- 碱金属复合材料水解反应的量热曲线,为以后工业化的系统设计提供参考。
1.1 样品制备
实验所用金属粉(Al、Bi 等),99.99%,天津兰德试剂有限公司生产;氯盐(氯化钠等),分析纯,沈阳试剂厂生产;碱金属(锂、钠、钾),99%,沈阳试剂厂生产;氢化物(LiAlH4、LiBH4等)98%,Alfa Aesar Company 生产;本论文中所有的水解制氢材料,均采用高能量机械球磨的方法制备。该方法是将原料按设计的组成配置混合后,在高纯氩气保护下,通过一定时间的球磨过程制备得到实验所需的复合材料。球磨制备均在QM-1SP-2CL型行星式球磨机(南京大学仪器厂制造)上进行。球磨用50 mL 的CrNi18Ti9真空密封不锈钢罐,磨球的材质与球磨罐相同,直径约1 cm。球磨机的主轴转速为450 r/min,磨球与原料的质量比为30∶1,球磨时间为12 h。
1.2 水解性能测试
称量0.07 g 的复合材料粉末加入到容量约为10 mL 的玻璃小瓶中,然后密封,7 mL 水由注射器加入。接触产生的氢气由导管引出,使用排水集气法收集在刻度精确到0.1 mL 的量筒中。复合材料水解上升氢气的体积为排出的水体积,产氢速率为单位时间内排出的水体积,氢气产量为单位质量的复合材料水解产生的氢气。
1.3 微量热测试
实验采用瑞典Thermometric AB 公司的3114/3236 TAMAir 型微量量热仪,热功率最小检测限为2.5 μW。将0.01 g 样品放入安培瓶置入量热仪中,待温度恒定后加入1 mL 的去离子水,得到铝水反应的微量热曲线。
2 .1 不同的铋和氯化钠含量对铝基复合材料性能影响
随着NaCl 含量的升高,样品的放氢量先增大后减小。这可能是因为NaCl 的加入减小了样品粒径,增加了颗粒表面的缺陷和新鲜表面。但是当Bi 的含量过小,Al-Bi 微型腐蚀电池便无法充分发挥作用,从而使放氢性能迅速下降。其中,成分比例(质量分数)为Al-8%Bi-7%NaCl(记为A#)的球磨样品拥有相对最佳的放氢性能。初始放氢速率达到了891 mL/(min·g),并且在3 min 之内放氢量便基本能达到理论容量。
2.2 不同添加量的氢化物对铝- 铋- 氯化钠复合材料性能影响
向85% Al-8% Bi-7% (质量分数)NaCl中添加不同含量LiAlH4和LiBH4后的铝基复合材料在室温下的水解放氢。随着掺杂量的升高,样品的初始放氢速率也随之升高。其中,成分比例(质量分数)为A#(Al-8%Bi-7%NaCl)-5%LiAlH4的球磨复合材料拥有相对最佳的放氢性能,初始放氢速率达到了2 016 mL/(min·g),并且在1 min 内放氢量便基本能达到全部理论容量。这可能是因为松散的氢化物的加入在球磨过程中促进了铝颗粒的分散,进一步增大了样品的缺陷和新鲜表面。另外在水解过程中,由于氢化物在与水反应时放出的热量提高了初始局部温度,从而使铝水反应的启动过程更加迅速。
2.3 不同种类的碱金属对铝- 铋- 氯化钠复合材料性能影响
向85% Al-8% Bi-7%(质量分数)NaCl 中添加1% (质量分数)的碱金属后的铝基复合材料在室温下的水解放氢曲线。在加入了少量的碱金属之后,样品的初始放氢速率有了很大提高。其中,成分比例(质量分数)为A#(Al-8%Bi-7%NaCl)-1%Na 的球磨复合材料拥有相对最佳的放氢性能,初始放氢速率达到了1 985 mL/(min·g),在1 min 内便基本能放出全部理论容量。这可能是因为碱金属在与水接触时发生剧烈的水解反应,放出大量的热量,加快了样品的水解速度。同时,碱金属的水解产物在铝与水的反应过程中能够起到催化剂的作用,也促进了水解反应的进行。
85%Al-8%Bi-7%(质量分数)NaCl 加入1%碱金属球磨样品水解放氢过程的量热曲线。从中可以看到,随着水解反应的进行,有大量的热量发出,放出热量的大小随着反应放氢性能的提高而增大。加入碱金属的样品水解放热峰更加尖锐,以更快的速度放出了大量热量。这也证明了碱金属的加入能够有效提高样品的初始放氢速率。
85%Al-8%Bi-7%NaCl 和加入1%(质量分数) 碱金属后球磨样品水解放氢过程的反应热值。85%Al-8%Bi-7%(质量分数)NaCl 球磨复合材料在水解反应过程中可放出约8.6 kJ/g 的热量,在加入1%(质量分数)的碱金属后,放出热量上升了约20%。铝水反应所产生的大量热量一方面提升了其自身的反应速度,另一方面也对系统的安全和稳定性提出了挑战。因此,在实际应用中应为反应容器设计循环冷却系统,或者设法将反应所放出的热量利用起来,进一步提高铝水反应能量的利用率。
为了破除铝表面致密的氧化膜使之能在常温下与水反应,同时降低碱溶液对设备及使用人员的潜在危害,在前人工作的基础上,实验制备了高活性的铝基球磨复合材料,在室温下便能与水发生快速反应。其中成分比例(质量分数) 为A#(Al-8%Bi-7%NaCl) -5%LiAlH4的球磨复合材料拥有的初始放氢速率达到了2 016 mL/(min·g),在1 min 内便基本放出了其全部理论容量。性能优异的复合材料为接下来的实际应用打下了坚实基础。另外,实验还测试了铝- 铋- 氯化钠和加入少量碱金属后的复合材料水解反应量热曲线,计算了铝水反应所放出的热量,为以后实际系统设计的安全性和稳定性提供参考。
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冲压成型是指靠压力机和模具对板材、带材、管材和型材等施加外力,使之产生塑性变形或分离,从而获得所需形状和尺寸的工件(冲压件)的加工成型方法。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:薄壁铝合金封头冲压成形的加工工艺研究相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
薄壁铝合金封头冲压成形的加工工艺研究全文如下:
冲压成型 是一种常见的机械加工方法,冲压加工所生产出来的冲压个,应用领域可说是包罗万象,比如:消费电子产品、机械、五金、运输工具等产业均少不了它的存在。
按客户要求来料制作铝合金封头EHA2000mm、数量2 个、材质5052、投料板厚5mm、成形后最小板厚4.3mm、直边高度25mm、外周长6315(-3~+6)mm、成形后消应力退火、制造标准GB/T25198-2010。
冲压:适应大批量生产,需制作相应模具,但成形质量好,材料减薄少,实际成形形状和理论要求形状误差较少,尤其适用封头容器内部需安装其他部件的加工工艺。
(1)加热设备:电炉,铝合金封头的加热多采用电炉,加热电炉要求保温性能良好,升温降温可控,炉膛内气氛呈弱氧化性,炉膛内各部位温度均匀,而且电炉应定期校核,保证炉膛内各部位实测温差在设计范围内,加热电炉应配置自动控温测温装置和温度记录仪。
(2) 压机:双向油压机,按客户要求铝合金封头EHA2000*5(4.3)=2 H=25 材质5052 由于封头直径大,壁薄,成形时极易产生鼓包和减薄,为保证封头形状和成形后封头最小板厚制作此封头是必须采用垫板,垫板厚度10mm。
铝板整形、焊缝打磨、PT[6]+清洗、铝板热处理+垫板抛光、加垫板予冲+成形+清洗、热处理+坡口、研磨坡口+清洗+检验、入库。根据制作工艺要求此规格铝合金封头要求圆片下料直径2380,通常下料的板材标准宽度只有1500,由于宽度不够,需要下2 块料,最后进行拼接(客户焊接)。
在板料焊接后,若铝合金圆片不平整就进行压制,压制时会出现很多不稳定因素,尤其在焊缝角变形位置容易产生材料失稳产生鼓包,所以铝合金圆片有焊接角变形需先把铝合金圆片修整水平。为消除材料焊接表面缺陷和消除影响冲压制作的焊缝余高,焊缝需打磨处理并PT,先用粗砂轮打磨,尽快去除焊缝余高,再用80 目砂轮抛光为做PT 做准备,注意焊缝须双面打磨且不能低于母材,打磨、抛光完成后,在焊缝位置做PT,发现有不合格位置须进行修补,直至合格,修补位置也须重新打磨后抛光,若铝合金圆片上有划伤也须进行抛光处理。
焊接圆片因焊缝位置材料力学性能不均匀且留有焊接应力,冲压制作时在焊缝位置极易产生鼓包甚至焊缝开裂,为消除焊缝材料力学性能不均匀性和焊接应力的影响,需在冲压前对铝合金圆片进行消应力热处理,铝合金材料的热处理前必须用工业洗洁精清洗干净,防止材料表面污物在热处理高温状态时污染材料表面甚至影响材料性能,而且热处理时必须采用电炉加热(升温速度<150℃/小时、加热温度340℃~360℃、保温25 分钟、后随炉冷却)。
按以前成熟冲压工艺,冲压EHA2000*10 碳钢封头,板厚减薄率大概在11%左右。此规格封头,板厚/直径=5/2000、减薄率=(5-4.3)/5=0.14 属于薄壁铝合金封头,且板厚要求较高,在制作过程中为防止材料失稳产生鼓包需增加压边力,这样材料延伸就会增加封头最小板厚就无法保证,如果成形后最小板厚达不到要求,就会直接导致产品报废,所以在制作过程中要采用垫板(垫板板厚=10mm、垫板尺寸和铝合金圆片一样大),垫板采用普通碳钢材料,在压制过程中铝合金板料上面有上模压住,下面有垫板垫着铝合金板料就不会失稳。
为防止普通碳钢板料表面缺陷对铝合金板料表面质量的影响,与铝合金板料接触的碳钢板料面需进行抛光处理,抛光时碳钢板料表面缺陷须充分清除干净。同时采用予冲压方式,予冲压时选用标准上模和小号下模成形封头大圆弧(垫板和铝合金圆片一起成形),再换下模和成形封头小圆弧,最后取出封头垫板用合适下模最终成形铝合金封头。
在冲压成形过程中,工件的拿放都采用真空吸盘,防止在制作过程中产生划伤。冲压成形过程中压边力参照成形碳钢EHA2000*10 的压边参数,主缸控制下压行程,时刻注意压制情况,不能在予成形过程中因主缸压力过大,下压深度太深在封头小圆弧位置留下压痕。成形完铝合金封头后,选用适配模具修整垫板封头,到合格尺寸,留作库存。铝合金封头成形后进行消应力热处理,热处理前需用工业洗洁精把封头表面油污清洗干净,热处理工艺同上。最后铝合金封头按客户高度要求坡口、研磨坡口至客户要求尺寸,用工业洗洁精清洗铝合金封头,晾干后检查所有尺寸并做好记录保存铝合金封头入库。
根据九州封头锻造有限公司的实际制作证明,采用上述冲压工艺成形的薄壁铝合金封头,所有尺寸都达到了客户要求,尤其是封头形状和最小板厚的控制更大大优于客户的设计要求。
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水性环氧底漆作为水性防腐涂料配套的底漆或中涂漆可作水线上的钢材、铝材、镀锌钢材及金属喷涂层表面的防锈底漆或中涂漆。可与水性环氧面漆配合使用。以下是读文网小编为大家精心准备的:浅谈铝合金和镁铝合金基材用水性环氧底漆的开发相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
随着我国工业化进程的加快,环境污染问题日益严重,人们的环保意识也逐渐增强,加上近期的溶剂税相关法案的出台,传统溶剂型涂料面临着严峻的挑战,而水性涂料以其低VOC 和环境友好等优点正进入一个高速发展的阶段。
铝合金和镁铝合金以其高强度、低密度和可塑性强等优点,被广泛用于航空航天、汽车以及一些特殊工件上。水性环氧具有环境友好、优秀的附着力和耐化学品性能,已被开发用于铝合金和镁铝合金的表面防护。
本研究探讨了以水性环氧乳液、水性环氧固化剂、颜填料以及助剂等制作了一款适合用在铝合金和镁铝合金基材上的水性环氧底漆。
1.1 原料
水性环氧固化剂:湛新公司;水性环氧乳液:国产;丙二醇甲醚:市售;氧化铁红:新乡;滑石粉:广福建材;磷酸锌:广西新晶;云母粉:滁州格锐。分散剂:迪高;基材润湿剂:毕克化学;消泡剂:迪高;防闪锈剂:海明斯;杀菌剂:国产;去离子水:自制。
1.2 基础配方
根据实验室性能检测数据,结合模拟施工,确定的基础配方。
1.3 涂料制备
将去离子水、分散剂以及消泡剂按顺序加入到研磨机中,分散均匀后加入水性环氧固化剂,再加入滑石粉、磷酸锌、云母粉、钛白粉和氧化铁红,待充分分散后研磨至细度≤ 40 μm,过滤出料。
2.1 液态环氧和环氧乳液对漆膜性能的影响
目前比较常用的水性环氧涂料体系大致有两类:一种是强制乳化或自乳化的环氧树脂乳液与水溶性环氧固化剂搭配;另一种是低相对分子质量液态环氧树脂和具有乳化功能的环氧固化剂搭配[2]。这两种方案各有优缺点,本实验选用进口的水性环氧乳液与水溶性环氧固化剂搭配制漆。
2.2 n(环氧):n(活泼氢)对漆膜性能的影响
不同的n(环氧)∶n(活泼氢)比例对漆膜的影响明显。按4 组实验比例分别为0.8∶1、1∶1、1.1∶1、1.2∶1 制备清漆,制板检验漆膜性能,实验主要从机械性能和耐液体介质两方面进行评价。
综合性能以n(环氧)∶n(活泼氢)为1.1∶1 最佳。其他3 组实验的综合性能不够理想。由于水性环氧固化剂具有一定的亲水性,活泼氢过量时漆膜的耐介质性能有所下降,同时未反应的过量固化剂也会导致漆膜较脆,影响机械性能。而环氧乳液过量则会影响交联密度从而降低漆膜性能。
2.3 PVC 对漆膜性能的影响
研究表明,颜料体积浓度(PVC)对漆膜性能具有很大影响。选择适宜的PVC,漆膜对介质的吸附性小,能较为显著地提高漆膜的耐化学品性能和防腐性能。实验选取了5 个不同的PVC 进行对比实验,漆膜性能测试结果。由性能数据可以看出,当PVC 为30%时,漆膜的性能最佳。
2.4 烘烤温度对漆膜性能的影响
对于车辆涂装许多车辆工厂都有效率要求,烘烤条件是必须被考虑的重要工艺参数。适宜的烘烤时间能增强漆膜的交联密度,提高漆膜的耐盐雾等性能,也可以提高涂装工作效率。本实验选取了80℃ 、90℃ 、100℃、110℃共4 个温度下进行30 min 烘烤的工艺条件实验。
在100℃和110℃烘烤条件下漆膜性能都比较理想,考虑到节能,推荐烘烤温度设定为100℃。
2.5 漆膜性能检测
以水性环氧乳液和水性环氧固化剂为成膜物质,n(环氧)∶n(活泼氢)比为1.1∶1,PVC 为30%,烘烤条件为100 ℃×30 min 的水性环氧底漆漆膜性能检测结果。
2.6 铝合金和镁铝合金底漆涂装应用
经过一系列实验调整,配方确定后制漆。选择电动车合金材质工件进行应用测试。喷涂前对底材进行打磨处理,去除工件的氧化层和钝化膜,增加底材粗糙度,有利于增加底漆对底材的附着。喷涂前需要进行除油除尘等底材预处理。调整涂料喷涂黏度,在处理完毕的工件底材上采用空气喷涂,喷涂一道底漆膜厚大概在30~40μm,喷涂后工件放置于通风环境5~10 min 后放入80 ℃烘道烘烤45 min。工件室温养护7 d 后进行性能检测,性能相较表5 漆膜测试结果相差不大,机械性能和防腐性能等已经足够能满足大部分客户的性能要求。能过应用测试结果,确定配方的水性环氧底漆在镁铝合金和铝合金上所表现的性能比较优异。
从本实验配方在电动车合金材料上所表现的性能来看,完全能满足HG/T4759-2014《水性环氧树脂涂料》标准的要求,据电动车厂家的后期使用反馈,本产品所表现的性能足够满足当前市场需求,综合来看,这款水性环氧底漆在镁铝合金和铝合金上应用具有良好的市场竞争力。
(1)经实验研究确认,选择水性环氧乳液和水性环氧固化剂为成膜物质,在n(环氧)∶n(活泼氢)为1.1∶1、PVC 为30%、烘烤条件为100 ℃×30 min 时,水性环氧底漆具有优异的综合性能;
(2)水性环氧底漆适用于铝合金和镁铝合金基材的涂装。
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