Введение к работе
Актуальность работы.
Решение многих технических проблем напрямую зависит от своевременного и стабильного энергообеспечения различных систем, машин и механизмов, в том числе - в чрезвычайных условиях. Поэтому в настоящее время большое внимание уделяется созданию альтернативных, автономных и экологически чистых систем энергообеспечения с высокими служебными характеристиками (прежде всего - высокой удельной энергоемкостью, стабильностью электрических параметров, малым временем выхода на рабочий режим, экологической чистотой и др.). Одним из направлений является создание химических источников электрической энергии. Важнейший вопрос в выполнении данной задачи - создание материала электрода химического источника тока (ХИТ). Значения удельной энергоемкости, как одного из критичных параметров любого химического источника тока, для кристаллических материалов, как правило, не превышают 80-120 Вт*ч/кг, в случае же применения аморфных материалов, по прогнозам специалистов, может быть достигнуто 250-300 Вт*ч/кг (рис.1). Поэтому постановка задачи в области материаловедения заключается в создании электродного материала, который был бы способен обеспечить работу ХИТ в определенной среде. В настоящее время известны ХИТ, успешно работающие в солевых растворах, например, в морской воде. Однако наибольший интерес представляют источники тока, способные стабильно функционировать в пресной воде.
Работы в области ХИТ проводятся ведущими отечественными и зарубежными фирмами, в частности, в ЦНИИ КМ «Прометей», где разработана базовая конструкция ХИТ. На ее основе изготовлены несколько типоразмеров электрохимических генераторов, уровень удельной энергоемкости которых на испытаниях достигал значения 220 - 260 Вт*ч/кг.
Суд.* і
Вт ч/кг
Кристал —
лическая
структура
Микро-
кристал —
лическая
структура
Аморфная структура
Аморфная матрица с нано -кристал -лическими выделениями
тип структуры
Рис Л Сравнительная оценка величины удельной
энергоемкости в зависимости от типа
структуры электродного материала.
Следует отметить, что разработанные в ЦНИИ КМ «Прометей» ХИТ тоже активируются только морской водой, однако для работы в экстремальных условиях, особенно в чрезвычайных ситуациях, требуется активация пресной водой, поэтому работа в этом направлении весьма актуальна.
Цель работы - повышение удельных характеристик химических источников тока за счет создания электродных композиционных материалов с высокой степенью аморфности структуры, эффективных технологических
процессов их получения и обработки. Исследования сплавов с высокой степенью аморфности относятся к современному направлению в области материаловедения, изучающему материалы с неравновесной структурой.
Использование разработанной композиции должно обеспечить эффективную эксплуатацию ХИТ в пресной воде, что позволит создать новый класс ХИТ, крайне необходимых при использовании в экстремальных ситуациях.
Основными задачами, решаемыми в настоящей диссертационной работе, являются:
исследование возможности повышения степени аморфности структуры путем универсальной высокоэнергетической ударно - активаторной (УДА) обработки, высокоскоростного плазменного напыления и финишной химической, обработки и обеспечение тем самым повышения удельных характеристик химических источников тока;
исследование процессов плазменного напыления композита HAT 10-5 -NaCl, эффективного для работы в пресной воде;
исследование функциональных зависимостей эксплуатационных характеристик электродного материала от его состава и структуры для последующей оптимизации технологии режимов его получения и обработки.
Научная новизна:
1. Определены условия повышения степени аморфности в каталитическом сплаве системы Al - Ni - Се, определяющей возможность разработки на их основе эффективных химических источников тока, активируемых пресной водой.
-
Предложен электродный композиционный материал заданного химического и фазового состава и структуры, состоящий из наружного каталитического слоя, имеющего аморфную структуру на основе никель - алюминиевого сплава с солевым допингом, никелевого подслоя и основы в виде медной ленты.
-
С использованием современных методов исследования установлена зависимость между степенью аморфности и фазовым составом материала наружного каталитического слоя, полученного методом плазменного напыления в воздушной среде. Показано, что для фаз с близким содержанием никеля и алюминия - МгАІз, NiAl - и фазы с превосходящим содержанием никеля - N13AI - характерна рентгеноаморфная структура, а для фаз с превосходящим содержанием алюминия - NiAl3 и NiAb+АІ - микрокристаллическая.
4. Подана заявка на изобретение «Способ получения дисперсных ком
позитов» (Фармаковский Б. В., Минин С. В., Тараканова Т. А., Улин И. В.),
автором подготовлен стендовый доклад (выслан 26.06.2000 г.) на Седьмую
Всероссийскую конференцию «АМОРФНЫЕ ПРЕЦИЗИОННЫЕ СПЛАВЫ.
Технология, свойства, применение» (14 -17 ноября 2000 г., ФГУП ЦНИИЧМ
им. И.П. Бардина, г. Москва).
Практическая значимость работы;
Предложена базовая технология плазменного напыления в воздушной среде композиции микрокристаллического порошка никель - алюминиевого сплава, содержащего 40 % Ni, 2,5 % Ті, 2 % Се, остальное - алюминий, с порошком кристаллического NaCl, обеспечивающая формирование материала с заданными химическим, фазовым составом и структурой.
Усовершенствована конструкция биполярного электрода, состоящая из многослойного катода с солевым допингом и биметаллического анода с рас-
творимым слоем из магний - алюминиевого сплава типа МА2-1, соединенных между собой с помощью метода пайки низкотемпературным припоем.
Создан и испытан макет ХИТ, активируемого пресной водой, даны практические рекомендации по его целевому использованию.
Объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и библиографии. Работа изложена на 136 страницах, содержит 32 рисунка и 5 таблиц. В списке цитируемой литературы 118 наименований.
