多孔不锈钢基体上钯膜镀覆技术研究

发布时间：2020-08-21 16:41

【摘要】：膜分离技术是实现聚变-裂变反应堆中氢气、氘气与其他杂质气体的分离提纯主要技术之一。其中,钯及其合金膜由于极高的氢选择性、较快的渗氢速率、相对化学惰性等特点,是目前主要使用的分离膜材料。多孔材料/Pd膜可降低钯膜厚度,显著提高单位面积氢渗透量,是钯膜研究热点之一。现有多孔材料/Pd膜的基体材料主要有两类,一类是多孔陶瓷类材料,另一类则是多孔金属材料。本文采用多孔不锈钢作为金属钯膜的支撑材料,进行了多孔不锈钢/Pd膜的制备研究。为获得致密性良好的多孔不锈钢/Pd膜,采用化学镀、电镀法及化学镀-电镀联合法进行制备工艺研究,通过对化学镀液浓度、化学镀时间、电镀电流密度、电镀时间及多孔不锈钢基体前处理时间等条件参数进行工艺优化,膜层致密性及纯度通过SEM、XRD分析表征。并对膜质优良的多孔不锈钢/Pd膜进行了抗热震性能及氢渗透测试。结果表明:(1)纯化学镀或电镀都无法在多孔不锈钢表面制备出致密钯膜,采用化学镀-电镀联合法可在多孔不锈钢表面获得致密钯膜。其中,以0.1 g/L的PdCl2盐酸溶液对完成前处理的多孔不锈钢基体进行60 min化学法预镀,最后使用钯离子浓度为17 g/L钯氨溶液进行60 min电镀制备的多孔不锈钢/Pd膜膜质最佳。(2)化学镀-电镀联合法制备的多孔不锈钢/Pd膜结构及性能表征结果显示金属钯膜各处表面形貌均致密无孔洞缝隙,晶粒间结合紧密,晶粒大小与区域有关,基体圆心区域钯晶粒为小颗粒状,基体边缘区域钯晶粒为细长针状,同一区域大小均匀,膜层厚度约为10-20μm,膜层组成成分单一纯净,无杂质,成核完整,结晶良好,晶粒结构为fcc型,存在五种不同的生长取向,其中(111)为其择优取向。(3)573-723 K的工作温度内,多孔不锈钢/Pd膜各项性质稳定,表面形貌无变化,膜基结合力良好,可承受住50次高温热震荡实验的考验。(4)723.15K、13KPa条件下,多孔不锈钢/Pd膜的氢渗透率为3.42×10-8 mol·m-1·s-1·Pa-0.5,氘渗透率为2.08×10-8mol·m-1·s-1·Pa-0.5,相同条件下多孔不锈钢/Pd膜的氢渗透率平均约为同等条件下氘渗透率的1.67倍。对混合比例为1:1的D2/Ar混合气进行分离提纯,得到产品气中D2浓度为98.8%,气体分离系数约为82。
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG174.4
【图文】：

多孔不锈钢基体上钯膜镀覆技术研究逦逡逑过钯膜的渗透行为属于“溶解、扩散”过程，具体分为五个过程＾８－２９３：逡逑（１）氢分子在金属钯膜表面发生化学吸附并解离；逡逑（２）氢原子在金属钯膜表面溶解；逡逑（３）氢原子在钯膜内部由一侧扩散至另一侧；逡逑（４）氢原子由钯膜另一侧析出，呈化学吸附态；逡逑（５）钯膜表面氢原子结合成氢分子脱附。逡逑

逦—￣逦ａ．ｉ＞？ａｒ？？？．？ｔ邋ｔｅｒ逡逑图１．３反渗透在化学镀中的应用原理示意图逡逑令人遗憾的是，上述提及的多种性能改进方法成效均较为有限，通过化学法逡逑制备得到的金属钯膜表面仍或多或少存在缺陷，如镀层分层、有孔洞缝隙、晶粒逡逑大小不均匀等，具体表面形貌见图１．４。逡逑Ｍｏｍｂｒａｎｃ邋ｒｏｍｎｏＭｌｉａｎ邋Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ邋Ｒｉｃｈｎｅｓｓ＂邋Ｐｃｗｌｅｄｉｖｉｉｖ逡逑「：一■画逡逑ｍｍ邋ｍｍ逡逑图１．４化学法制备的钯合金膜表面形貌（ｉａ逡逑１．２．邋４．邋２电镀法逡逑电镀法是指利用直流电源或电化学测试平台电解电镀液，并于阴阳极上发生逡逑氧化还原反应，促使镀液中的金属离子运动，在阴极表面沉积形成金属薄膜的方逡逑法。该方法具有所需仪器设备简单、易于控制金属膜组成成分和尺寸厚度的优势。逡逑但由于电镀本身的特性，电镀反应中所设计的器件都需导电。镀钯液的种类较多，逡逑常见的有钯氨络合溶液、钯有机盐溶液等，其中钯氨络合溶液可以使镀层具备较逡逑８逡逑

令人遗憾的是，上述提及的多种性能改进方法成效均较为有限，通过化学法逡逑制备得到的金属钯膜表面仍或多或少存在缺陷，如镀层分层、有孔洞缝隙、晶粒逡逑大小不均匀等，具体表面形貌见图１．４。逡逑Ｍｏｍｂｒａｎｃ邋ｒｏｍｎｏＭｌｉａｎ邋Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ邋Ｒｉｃｈｎｅｓｓ＂邋Ｐｃｗｌｅｄｉｖｉｉｖ逡逑「：一■画逡逑ｍｍ邋ｍｍ逡逑图１．４化学法制备的钯合金膜表面形貌（ｉａ逡逑１．２．邋４．邋２电镀法逡逑电镀法是指利用直流电源或电化学测试平台电解电镀液，并于阴阳极上发生逡逑氧化还原反应，促使镀液中的金属离子运动，在阴极表面沉积形成金属薄膜的方逡逑法。该方法具有所需仪器设备简单、易于控制金属膜组成成分和尺寸厚度的优势。逡逑但由于电镀本身的特性，电镀反应中所设计的器件都需导电。镀钯液的种类较多，逡逑常见的有钯氨络合溶液、钯有机盐溶液等，其中钯氨络合溶液可以使镀层具备较逡逑８逡逑

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本文编号：2799616