Введение к работе
Актуальность работы.
Активное загрязнение окружающей среды, истощение запасов традиционных видов топлива, а также развитие новых технологий привели к значительным изменениям в концепции развития энерговооруженности мирового сообщества, в том числе вызвали масштабное развертывание структуры нетрадиционной энергетики. Одним из перспективных видов нетрадиционных источников энергии являются электрохимические генераторы, обеспечивающие прямое преобразование химической энергии в электрическую и тепловую. Эти источники энергии успешно применяются на транспорте, авна- и судостросіши, в навигационных системах и средствах связи, водолазном снаряжении и аварийно-спасательных комплексах.
Эффективность использоваши электрохимических генераторов в значительной степени определяется электродными материалами, которые должны обладать комплексом высоких эксплуатационных свойств, в первую очередь, таких как электропроводность, каталитическая акшвность, химическая стойкость, механическая прочность, а их производство основываться на высокопрошводительных и экологически безопасных технологиях.
Традиционные подходы, используемые при создании электродных материалов ма-лоэффекптны: во-первых, при разработке электродов, как правило, используются материалы с кристаллической структурой, физико-химические и механические свойства которых приблизились к теоретическому верхнему пределу; во-вторых, получение электродных материалов связано с использованием либо дорогостоящих компонентов, например, металлов платиновой группы, серебра, редкоземельных металлов, либо добавок, гіредсгавляюнпіх серьезную опасность для человека и окружающей среды - ртути, кадмия, свинца и т.п.
С учетом изложенного, актуальным является разработка новых электродных материалов, применение которых позволит повысить конкурентоспособность электрохимических генераторов среди других альтернативных источников энергии за
счет увеличения их электрических и эксплуатационных характеристик и снижения уровня экологической опасности при изгото&тении и использовании.
Цель работы - исследование и разработка электродных композиционных материалов с аморфной и нанокристаллической структурой, эффективных технологических процессов их получения и обработки, а также изготовление на их основе экологически безопасных электрохимических генераторов гидронного типа. Исследования сплавов с аморфной и нанокристаллической структурой относятся к новому направлению в области материаловедения, изучающем)' материалы с неравновесной структурой. Материалы этого класса обладают повышенными физико-химическими свойствами по сравнению с равновесными сплавами аналогичного химического состава.
Основными задачами, решаемыми в настоящей диссертационной работе, являются:
разработка электродных композиционных материалов на основе сплавов с аморфной и нанокристаллической структурой и интерметаллических соединений системы «никель-алюминий»;
разработка и освоение технологии получения электродных композиционных материалов с аморфной и нанокристаллической структурами для электрохимических генераторов гидронного типа, использующих в качестве электролита морскую воду и водные растворы солей;
- исследование функциональных зависимостей эксплуатационных характери
стик электродного материала от его состава, структуры и технологических режимов
его получения;
- разработка базовой конструкции электрохимического генератора;
- создание электрохимических генераторов для практического применения в области морских технологий и в спасательной технике.
Решение этих задач предусмотрено федеральными российскими программами «Национальная технологическая база» и «Российские верфи».
Научная новизна
Разработан электродный композиционный материал заданного химического и фазового состава и структуры, состоящий из наружного каталитического слоя, имеющего аморфную и нанохрнсталлическую структуру на основе никель-алюминиевого сплава, никелевого подслоя и основы в виде медной ленты.
С использованием современных методов установлена зависимость между степенью кристалличности и фазовым составом материала каталитического покрытая, полученного методом плазменного напыления в инертной контролируемой среде. Показано, что для фаз с близким содержанием никеля и алюминия - МІ2А1з(5), NiAl(P) - и фазы с превосходящим содержанием никеля - №зА1 - характерна аморфная и нанокристаллическая структура, а для фаз с превосходящим содержанием алюминия - NiAb и NiAh+AI - микрокристаллическая.
Исследованы закономерности процесса плазменного напыления каталитических покрытий с аморфной и нанокристаллической структурой в инертной среде и на воздухе. Показано, что наибольшая эффективность каталитичесюгх покрытий достигается при напылении в среде аргона. Определен оптимальный размер частиц напыляемого порошкового материала - 50-63 мкм и дистанция напыления - 60-100 мкм.
Исследованы особенности получеши развитой поверхности каталитического слоя с помощью химической обработки в водных растворах гидроксида натрия с концентрациями от 0,1 до 0,5а Установлено, что наиболее эффективно проведение химической обработки в 2 стадии. Показано, что в результате химической обработки происходит избирательное удаление фаз NiAb и NiAb+Al.
Исследованы зависимости разрядных характеристик электрохимических элементов и образцов электрохимических генераторов от типа и концентраціш электролита и типа материала анода. Установлено, что наибольшая стабильность разрядных характеристик наблюдается в водном растворе хлорида натрия с концентрацией 100 г/л, при использовании в качестве анодного материала магаий-атюмшшевого сплава марки МА2-1.
Практическая ценность. Разработаны:
- микрокристаллический никель-алюминиевый сплав, содержащий 40%Ni,
2,5%Ti, 4%Сг, 2%Се, остальное - алюминий.
базовая технология плазменного напыления в инертной контролируемой среде, обеспечивающая формирование материала с заданными химическим, фазовым составом и структурой;
технология изготовления катодов-катализаторов (РД5.УЕИАЗ 108-94) и технологический процесс изготовления химических источников тока (РД 5. УЕИА3122-95);
- конструкция биполярного электрода, состоящая из многослойного катода и
биметаллического анода с растворимым слоем из магний-алюминиевого сплава типа
МА2-1, соединенных между собой с помощью метода пайки низкотемпературным
припоем;
- базовая конструкция электрохимического генератора гидронного типа.
Это позволило создать ряд типоразмеров электрохимических генераторов двойного применения с величиной удельной массовой энергии 230-260 Вт»ч/кг и номинальным напряжением 2,5; 6; 12 и 24 В и разработать рабочий проект автономной резервной энергетической станции на базе электрохимических генераторов мощностью 100 кВт. Экономический эффект от использования результатов диссертационной работы составил более 190 млн. рублей в ценах 1997 года.
Область применения результатов работы не ограничивается электрохимическими генераторами гидрошюго типа. Разработанные материалы и технологии могут использоваться при получении каталитических блоков, накопителей водорода, нейтрализаторов на металлическом носителе и в ряде других конкурентоспособных разработок.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: международном симпозиуме "Энергетика-96" (Санкт-Петербург,
1996), семинаре "Экология, экологически чистые технологии и оборудование" (Санкт-Петербург, 1997), XVII совещании по термоустойчивым функциональным покрытиям" (Санкт-Петербург, 1997), втором международном семинаре "Блочные носители и катализаторы сотовой конструкции" (Новосибирск, 1997).
Подготовлены и капраалены сообщения на XVI Менделеевский съезд по общей и прикладной химии.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в работах (1-6), подучено положительное решение по заявке № 96117482 "Электрод и способ его нзготовлегам" (7).
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и библиографии. Работа изложена на 166 страницах, содержит 52 рисунка и 7 таблиц, В списке цитируемой литературы 128 наименований.
