汽车轻量化材料.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,汽车轻量化材料,1,当前，节能、环保、安全、舒适、智能和网络是汽车技术发展的总趋势，尤其是节能和环保更是关系人类可持续发展的重大问题。因此，降低燃耗、减少向大气排出,CO2,和有害气体及颗粒已成为汽车工程界主攻的,方向,。,人们现已熟知的美国,PNGV,计划，预计到,2004,年或,2005,年，美国轿车将达到每升汽油可行驶约,34km,（,3,倍燃料效率）。减小汽车自重是汽车降低燃耗及减少排放的最有效措施之一。美国的,PNGV,计划要求轿车自身质量减小,40,。,2,1.,汽车轻量化的内涵和途径,汽车轻量化绝非是简单地将其小型化而已。,首先应保持汽车原有的性能不受影响，既要有目标地减轻汽车自身的重量，又要保证汽车行驶的安全性、耐撞性、抗振性及舒适性，同时汽车本身的造价不被提高，以免给客户造成经济上的压力。,3,汽车轻量化技术包括汽车结构的合理设计和轻量化材料的使用两大方面。,汽车结构设计轻量化技术包括紧凑化技术和为采用轻量化材料并能满足碰撞新要求而最新开发的轻量化结构设计技术,.,在结构设计方面可以采用前轮驱动、高刚性结构和超轻悬架结构等来达到轻量化的目的，在用材方面可以通过材料替代或采用新材料来达到汽车轻量化的目的。,4,实现汽车轻量化的主要途径,减少汽车白车身重量对降低发动机的功耗和减少汽车总重量具有双重的效应。为此，首先应该在白车身制造材料方面寻找突破口。具体有如下几种方案：,1,）使用密度小、强度高的轻质材料，像铝镁轻合金、塑料聚合物材料、陶瓷材料等；,2,）使用同密度、同弹性模量而且工艺性能好的截面厚度较薄的高强度钢；,(?)3,）使用基于新材料加工技术的轻量化结构用材，如连续挤压变截面型材、金属基复合材料板、激光焊接板材等。,5,仅奥迪,A8,和英国捷豹,XJ,两个高级豪华车据守轻金属车身这唯一一块阵地,.,宝马,5,系列车身前端总成以冲压铝板件,铸铝合金件和铝挤压件焊接而成,.,目前只是在中高档轿车中广泛采用,Mg,Al,工程塑料和高强度钢的混合车身,.,现代汽车的绝大部分内饰件以翼子板,保险杆外罩和许多乘用车的发动机罩内板都是由工程塑料制成的,.,6,相比之下，至少在目前及至今后相当长的一段时期内，钢仍然是汽车车身制造用材的最佳选择：钢材不仅具有优异的性能价格比，还有长期积累起来的冶金技术和成型加工经验，使之在汽车行业中仍然坐拥不可撼动的霸主地位。而方案,3,）正是从材料加工的角度出发，使经过特殊加工后的钢板材料的承载性能、成型性能或者其他方面的性能大大提高。,7,2,材料技术在轻量化汽车中的作用,材料技术是推动汽车技术进步的关键，轻量化是今后汽车发展的关键。,选用新材料（包括高强度钢、铝、镁、钛合金、塑料及复合材料等）来实现减小汽车自身质量的目的，并把先进的轻质材料作为急需开发的技术领域。,8,3,轻量化汽车材料技术的发展趋势,由于钢铁材料在强度、塑性、抗冲击能力、回收使用及低成本方面具有综合的优越，其在汽车材料中的主导地位仍是不可动摇的。但高强度钢和超高强度钢的应用，如汽车车身、,底盘,、悬架、转向等零部件上，将有较大增长。铝镁合金在汽车上的用量将明显增加。工程塑料、复合材料所占比例将有明显增长。,多材料结构进行优化，既能改进汽车性能，又能显著减小质量。当前材料的组合仍以高强度钢、铝、镁和塑料为主。要实现多材料轻量化结构设计，必须强调“合适的材料用在合适的部位”,9,第一节 高强度钢板,一、概述,采用高强度钢板可以达到减薄车身用板的厚度和重量的目的,在轻量化的同时，增加了安全性能。,高强度钢一般是指冷轧,340MPa,、热轧,490MPa,以上的钢,这些新型高强度钢板具有较低的屈强比、较好的应变分布能力和较高的应变硬化特性,同时高强度钢板的力学性能更加均匀,从而具有更好的碰撞特性和更高的疲劳寿命。,10,2,汽车用钢板的强化机理和汽车用高强度钢板、超高强度钢板,传统的汽车用钢板主要是采用向低碳钢中添加合金元素形成固溶强化型钢以及晶粒细化的析出型钢的两种方式来实现低碳钢的高强度化。,现代汽车高强度钢板是采用使其金相组织得到强化的机理，而获得组织强化、复合组织强化、相变强化、热处理强化、冷作硬化和时效强化等现代高强度钢。,目前高强度钢板主要包括冷轧含磷板、双相钢,(DP,钢,),板以及相变诱发塑性钢,(TRIP,钢,),板等。,11,12,3,国内外汽车高强度钢材料概况,二十世纪,60,70,年代，汽车结构用高强度钢是以添加各种合金成分的固溶强化型和析出强化型高强度钢为主体，但为了达到更高的强度,从,80,年代开始，研究方向已经开始转向组织强化型高强度钢，通过,Cu,析出物和三段冷却方式提高强度与加工性，通过冶金制造的组织控制来提高各种性能。特别是到了二十一世纪，发展更是突飞猛进，各种新钢种层出不穷，强度也不断提高，如含铜热处理强化钢，,Rm,590,780MPa,高翻边性能钢板，,Rm,440,780MPa,，超高强度钢板，,Rm,980,1400MPa,。,13,德国的两款轿车和,SUV,上所用的高强度钢材料,VW Polo,（大众波罗）、,Porsche Cayanne,（保时捷卡宴）、,Ope Vectra,（欧宝维佳）等车型中现代高强度钢的用量分别为,60%,、,36%,、,45%,，用量非常大，而且已经超越了普通钢，成为汽车用钢的主力军，成为未来汽车材料的发展方向之一。,14,丰田汽车公司在其生产的丰田系列轿车上已经应用高强度钢制作车身及其零部件。,车身质量要求越来越轻,.,白车身重量的变化及高强度钢的使用比例,15,本田两代思域（,CIVIC,）轿车上高强度钢的使用情况对比,16,新一代日本铃木奥拓牌微型车车身使用高强度钢板的情况,看出高强度钢的用量和应用范围都非常大，其中的前门内板、主地板、门框内板、立柱等都用高强度钢制成，最高的占到了整个汽车用钢的,68,。,17,除上述国家外，各大汽车企业和钢铁协会也组成了超轻钢车体计划,(ultra light steel auto body),，目的是研究出新型高强度钢材料，扩大高强度钢材料在汽车工业中的应用，其目标是开发新型轻型钢车体，该型车比现有的车型更安全、更节能、更有利于环境保护、售价不增加。其中材料的开发与优化包括：新型高强度高成形性钢的开发与使用的优化，形成了以高强钢、超高强钢、双相钢和,TRIP,钢为主的新型汽车用钢系列；以激光拼焊板、液压成形管件和夹层板为特色的新型钢材系列。,18,ULSAB-AVC,车身结构所选用钢种的强度级别、重量及重量比例,USLAB-AVC,所选用的高强度钢种类很多，应用的零件范围也很广，其中,DP700/1000,的用量最大，达到了,59.32%,，其次是,MART1250/1520,和,DP300/500,，用量分别为,47.71%,和,18.14%,。,19,我国汽车用高强钢材料的研制开发工作较晚，但已有武钢、宝钢、鞍钢、上汽集团、上海大学、重庆汽车研究所等单位对汽车高强度钢材料开展了研究，特别是宝钢、武钢、上汽集团等单位在高强度钢领域有突出地位。国家科技部已将“,500MPa以上高强度钢的先进制造技术”列为了,863,重点支持项目。,20,高强钢若干典型实例,液压成型车架、后副车架、油底壳、发动机托架、仪表板横梁等，可以看出，国内的汽车高强度钢应用范围已经十分广泛。,21,厂家,/MPa,/MPa,/%,n,备注,宝钢,403.0,628.0,35.0,22608,0.22,-,NKK,414.0,628.0,34.0,21101,0.21,-,USS,399.7,626.7,30.5,-,-,ASTM50,标距,宝钢,TRIP600,与国外同类钢的典型性能,宝钢生产的高强度钢的强度等级为,600MPa,以上，性能与国外同类钢相差无几，但在国产轿车上还没有正式采用，相关的加工和成型技术也必须依赖国外。,22,汽车用高强度钢的减重潜能,相对于传统的,340MPa,的材料,600MPa,级的钢种在理论上的减重潜能大约为,20%.,然而,对于,800MPa,的材料,其减重潜能会提高至,30%,以上,.,Sumitomo,公司的论文阐述了生产车轮用的,700MPa,和,800MPa,的热轧钢的发展,.,可达到该目标强度的化学成分为低碳,硅,锰,铬以及铌和钛微合金化元素,.,23,高强度钢在主要零部件及研究的内容如下：,(,要考虑成形方式,),挡泥板：抗凹陷性与回弹（先进高强度钢与铝比较），粘接性能与焊接性能；提升式门：抗凹陷性评估，成形与装配工艺研究，不同材料的结构耐久性试验评估；,车轮：强度更高、成形性能更好的车轮用钢开发,以满足进一步减重及灵活生产的需要开发低成本，高尺寸精度的制造技术与铝车轮竞争，开发具有成本优势的车轮外观装饰系统，用于在钢车轮骨架上安装永久性铸铝外饰件，研究车轮导致车辆振动的根本原因，并通过系统设计的改进予以消除，开发车轮焊接新技术；,轻型载货车车架：高刚度的轻型载货车车架连接技术，车身车架一体化设计方法；,油箱：开发新材料品种（在道路环境和各种燃油条件下可使用,15,年）、新设计方法和制造方法，以在与塑料油箱的性能、质量、价格竞争中取胜,;,24,座椅,:,开发强度级别应在,5001400MPa,、成形性能优良,(,弯曲半径小、孔伸长率高,),的新型高强度钢,满足座椅零件的需要；,皮卡车厢和提升式车门：高强度钢的焊接性能与成形性能，提高钢的减重、成本竞争力；,仪表板横梁：管状截面高强度钢仪表板横梁的设计与制造技术；,支座与支架：开发新一代微合金钢,使工作应力从目前,600MPa,提高到,750MPa,，辊压与液压成形生产设备开发，近净成形工艺与设备开发；,悬架弹簧：开发工作应力达,1300MPa,以上的新型弹簧钢，开发可控失效弹簧钢用于单片弹簧，开发低成本的涂层及耐蚀弹簧材料。,25,其它轻量化材料,铝具有高的导电性和导热性，密度小，塑性好，易成型，易回收利用。铸、锻、冲压工艺均适合于其零件制造，在汽车上的用量将明显增加。镁的密度为铝的,2/3,、钢的,1/4,。镁具有较高的比强度和比弹性模量、良好的刚性和抗电磁干扰屏蔽性、高的阻尼性能和减震抗冲击能力，其切削加工性和尺寸稳定性优于铝。镁合金易于回收利用，其应用极为广泛，也是汽车工业中最有发展前景的轻金属结构材料。,工程塑料（？）,26,第二节 铝及铝合金,一、铝及铝合金性能特点,纯铝具有银白色金属光泽,密度小,(2.72),熔点低,(660.4),导电、导热性能优良。,耐大气腐蚀，易于加工成形,.,具有面心立方晶格，无同素异构转变，无磁性。,铝合金制造的机翼,27,铝合金既具有高强度又保持纯铝的优良特性。,铝合金常加入的元素主要有,Cu,、,MnSi,、,Mg,、,Zn,等，此外还有,Cr,、,Ni,、,Ti,、,Zr,等辅加元素。,铝合金型材,铝铸件,28,可将铝合金分为,变形铝合金,和,铸造铝合金,两大类。,变形铝合金又分为,可热处理强化,和,不可热处理强化,两类,。,铝合金分类示意图,二、铝合金的分类,铝合金一般具有有限固溶型共晶相图。,29,三、铝合金的热处理,并淬火后获得过饱和的单相固溶体组织的处理。,时效,是指将过饱和的固溶体加热到固溶线以下某温度保温，以析出弥散强化相的热处理。,可热处理强化变形铝合金的热处理方法：,固溶处理,+,时效,。,固溶处理,是指将合金加热到固溶线以上，保温,加热固溶,淬火过饱和,时效析出,30,在室温下进行的时效称,自然时效,；在加热条件下进行的时效称,人工时效,。,时效强化效果与加热温度和保温时间有关。,温度一定时，随时效时间延长，时效曲线上出现,峰值，超过峰值时间,析出相聚集长大，强度下降，为,过时效,。,随时效温度提高，峰值强度下降，出现峰值的时间提前。,含,4%Cu,铝合金的时效曲线,时效时间,/d,31,时效时间,屈服强度,时效峰,过时效,亚时效,铝合金的热处理,32,四、铝合金的牌号、性能及用途,1,、变形铝合金,变形铝及铝合金牌号表示方法,根据国标规定，变形铝及铝合金可直接引用国际四位数字体系牌号,或采用国标规定的四位字符牌号,。,全世界铝的用量,百万吨,一次生产量,二次回收量,总用量,33,GB 3190-82,中的旧牌号仍可继续使用，,表示方法为,:,防锈铝合金：,LF+,序号,硬铝合金,：,LY+,序号,超硬铝合金,：,LC+,序号,锻铝合金,：,LD+,序号,铝合金波纹管,铝合金制品,铝是可以回收利用的金属,34,常用变形铝合金,防锈铝合金,主要是,Al-Mn,和,Al-Mg,系合金。,Mn,和,Mg,主要作用是,卫星天线（,LF2,）,提高抗蚀能力和塑性，并起固溶强化作用。,防锈铝合金锻造退火后组织为单相固溶体，抗蚀性、焊接性能好，易于变形加工，但切削性能差。,不能进行热处理强化，常利用加工硬化提高其强度。,35,汽化器,(,热交换管为,LF21),常用的,Al-Mn,系合金有,LF21,（,3A21,）,，其抗蚀性和强度高于纯铝，用于制造油罐、油箱、管道,、,铆钉等需要弯曲、冲压加工的零件。,常用的,Al-Mg,系合金有,LF5,（,5A05,）,其密度比,纯铝小，强度比,Al-Mn,合金高，在航空工业中得到广泛应用，如制造管道、容器、铆钉及承受中等载荷的零件。,36,硬铝合金,主要是,Al-Cu-Mg,系合金，并含少量,Mn,。,可进行时效强化，也可进行变形强化。,强度、硬度高，加工性能好，耐蚀性低于防锈铝。,常用硬铝合金如,LY11,(,2A11,),、,LY12,(,2A12,),等，用于制造冲压件,、,模锻件和铆接件，如螺旋桨、梁、铆钉等,。,飞机翼梁,(,腹板为硬铝合金,),37,超硬铝合金,属,Al-Zn-Mg-Cu,系合金，并含有少量,Cr,和,Mn,。,时效强化效果超过硬铝合金,。,热态塑性好，但耐蚀性差。,常用合金有,LC4,(,7A04,),、,LC9,(,7A09,),等，主要用于工作温度较低、受力较大的结构件,如飞机大梁,、,起落架等,。,飞机主起落架,38,锻铝合金,Al-Cu-Mg-Si,系合金,可锻性好，力学性能高，用于形状复杂的锻件和模锻件，如喷气发动机压气机叶轮、导风轮等,。,压气机叶片,Al-Cu-Mg-Fe-Ni,系耐热锻铝合金,常用牌号有,LD7,(,2A70,),、,LD8,2A80,),、,LD9(,2A90,),等。用于制造,150 225,下工作的零件，如压气机叶片、超音速飞机蒙皮等。,39,美,F-117,隐身战斗机,(,所用材料大部分是铝合金,),高比强铝合金机翼,40,2,、铸造铝合金,包括：,Al-Si,系：,代号为,ZL1+,两位数字顺序号,Al-Cu,系：,代号为,ZL2+,两位数字顺序号,Al-Mg,系：,代号为,ZL3+,两位数字顺序号,Al-Zn,系：,代号为,ZL4+,两位数字顺序号,Al-Si,系铸造铝合金,又称,硅铝明,。其中,ZL102,(,ZAlSi12,),是含,12%Si,的铝硅二元合金，称为,简单硅铝明,。,577,127%,41,在普通铸造条件下，,ZL102,组织几乎全部为共晶体，由粗针状的硅晶体和,固溶体组成，强度和塑性都较差。生产上通常用钠盐变质剂进行变质处理,得到细小均匀的共晶体加一次,固溶体组织，以提高性能。,未变质处理,经变质处理,ZL102,的铸态组织,42,加入其他合金元素的铝硅铸造合金称,复杂,(,或特殊,),硅铝明,。,Al-Si,系铸造铝合金的铸造性能好，具有优良的耐蚀性、耐热性和焊接性能。,活塞,(,裙部为铝硅合金,),用于制造飞机、仪表、电动机壳体、汽缸体、风机叶片,、,发动机活塞等。,43,Al-Cu,系铸造铝合金,这类合金的耐热性好，强度较高；但密度大，铸造性能、耐蚀性能差，强度低于,Al-Si,系合金。,汽缸头,常用代号有,ZL201,(ZAlCu5Mn),、,ZL203,(ZAlCu4),等。,主要用于制造在较高温度下工作的高强零件，如内燃机汽缸头、汽车活塞等。,44,Al-Mg,系铸造铝合金,这类合金的耐蚀性好，强度高，密度小；但铸造性能差,耐热性低。,常用代号为,ZL301,(ZAlMg10),、,ZL303,(ZAlMg5Si1),等。,主要用于制造外形简单、承受冲击载荷、在腐蚀性介质下工作的零件,如舰船配件、氨用泵体等。,鼓风机密封件等,(ZL102,、,301),45,Al-Zn,系铸造铝合金,这类合金的铸造性能好，强度较高，可自然时效强化；但密度大耐蚀性较差。,大型空压机活塞,(ZL401),常用代号为,ZL401,(ZAlZn11Si7),、,ZL402,(ZAlZn6Mg),等,.,主要用于制造形状复杂受力较小的汽车、飞机、仪器零件。,46,第三节 钛及钛合金,一、工业纯钛,纯钛密度小，熔点高。,882.5,发生同素异构转变,-Ti,-Ti,由体心立方,-Ti,转变为密排六方,-Ti.,纯钛比强度高，塑性、低温韧性和耐蚀性好。,美,F-22,战机约,36%,重,量的零件用钛合金制造,47,纯钛主要用于,350,以下工作、强度要求不高的零件，如石油化工用热交换器、反应器，海水净化装置及舰船零部件。,钛钢复合反应釜,钛管换热器,钛制蒸馏塔,48,二、钛合金,纯钛加入合金元素形成钛合金。,钛合金几乎都含有铝。铝能提高钛合金的强度、比强度和再结晶温度,.,按退火组织，钛合金可分为,型钛合金、,型钛合金和,+,型钛合金三类，它们的牌号分别用,TA,、,TB,、,TC,加顺序号表示。如,TA5,、,TB2,、,TC4,等。其中,TA0TA3,为工业纯钛。,钛合金泵,49,1,、,型钛合金,主加元素为铝，还有锡、硼等。,不能热处理强化，通常在退火状态下使用,组织为单相,固溶体,。,强度低于另两类钛合金，但高温强度、低温韧性及耐蚀性优越,。,钛合金氢泵诱导轮,钛合金氢泵壳体,50,常用牌号有,TA5,、,TA7,等,主要用于制造,500,以下工作的零件，如飞机压气机叶片、导弹的燃料罐、超音速飞机的蜗轮机匣及飞船上的高压低温容器等。,钛合金卫星框架,钛合金液下泵,-Ti,合金组织,51,2,、,型钛合金,加入的合金元素有钼、铬、钒、铝等。,经淬火加时效处理后，组织为,相基体上分布着细小的,相粒子。,这类合金强度高，但冶炼工艺复杂，难于焊接,应用受到限制。,钛合金管,钛合金管应用,52,型钛合金有,TB2,、,TB3,、,TB4,三个牌号,。,主要用于,350,以下工作的结构件和紧固件,如飞机压气机叶片,、,轴,、,弹簧,、,轮盘等,。,钛合金棒,钛合金眼镜架,钛离心泵,53,3,、,+,型钛合金,加入的合金元素有铝、钒、钼 铬等。,可进行热处理强化，强度高，塑性好，具有良好的热强性、耐蚀性和低温韧性。,钛合金列管式换热器,54,+,型钛合金共有九个牌号,其中以,TC4,应用最广、用量最大，其经过淬火加时效处理后,组织为,+,+,时效析出的针状,。,+,钛合金组织,(,电镜,),+,钛合金组织,55,+,型钛合金,主要用于制造,400,以下工作的飞机压气机叶片、火箭发动机外壳、火箭和导弹的液氢燃料箱部件及舰船耐压壳体等,。,生物医用材料,飞机压气机叶片,56,第四节 镁及镁合金,镁及其合金是最轻的结构材料之一,由于镁合金具有优良的导电性、导热性、电磁屏蔽性能、高的比度、比刚度、减震性、加工工艺性能和易回收、有利于环保等特性,因此早已引起航空工业和汽车工业注意。,57,镁合金的研究和应用至今有一百多年的历史。镁在,1755,年被首次发现，,1808,年英国科学家戴维在实验室从汞合金中制得纯镁。,1830,年英国科学家法拉第用电化学的方法从熔融氯化镁获得镁。,1886,年在德国的,Bremen,附近创建了世界上第一个电解镁厂，开始镁的工业化生产。,二战期间，镁合金的研究与应用获得较大发展，二战结束后，在民用工业上开始开发和应用镁合金，后来由于镁合金研究遇到困难和价格因素，使镁合金材料的研发停滞不前。进入,20,世纪,90,年代中期，由于环境和能源问题越来越突出，因此又重新唤起人们对镁的重视。近年来，镁合金的研究与开发成为金属材料领域的热点。,58,一、镁合金的研究开发概况,目前在汽车行业中,镁合金材料主要应用于车内部件、发动机部件、传动系统部件等,其使用或正在开发的铸件有,:,仪表盘骨架、阀壳、齿轮箱、座椅骨架、转向盘、变速箱壳体、离合器外壳、缸盖、进气歧管、车轮、车门框架、前灯支承托架、制动,/,离合器踏板托架、驾驶杆等几十种产品,。,59,一、镁合金的研究开发概况,目前镁合金应用发展势头最大的国家和地区是,:,北美和欧洲、日本、韩国和中国台湾地区。,在北美、欧洲,镁合金主要应用领域是汽车行业,;,亚洲各国普遍侧重于镁合金在,3C,类产品上的应用。变形镁合金也开始受到各国重视。,60,二、镁合金成型工艺进展,(1),镁合金熔炼技术,镁化学性质较活泼,在大气中熔炼时,镁合金容易氧化和燃烧,因此常采用合金液阻燃技术和变质处理技术。,(2),镁合金铸造成型技术,生产工艺主要是铸造工艺和变形工艺,铸造工艺主要有压力铸造、砂型铸造、低压铸造、精密铸造、挤压铸造和半固态压力铸造等,变形工艺主要为锻造和冲压。铸造成形方法中以压力铸造应用最广泛。,61,三、新型镁合金材料开发及存在的主要问题,(1),高温抗蠕变镁合金,(2),高韧性镁合金,(3),高强度镁合金,(4),高耐腐蚀性镁合金,(5),变形镁合金,62,四、抗蠕变耐热镁合金,镁合金的高温变形特点是晶内位错运动与晶界滑移相结合。因此，耐热镁合金的设计思路是：遵循强化基体与晶界、限制基体位错运动及阻止晶界滑移的原则，综合运用基体的固溶强化、时效强化和弥散强化，以及弥散小颗粒对晶界的钉扎作用等复合强化机制，实现提高镁合金耐热性的目的。,63,从限制位错运动和强化晶界入手，通过引入热稳定性高的第二相、在晶界处形成适当的金属间化合物取代晶界上原有的存在相等手段可实现提高镁合金高温蠕变抗力的目的。在镁合金中加入能形成较高结构稳定性的金属间化合物的合金元素，是改善镁合金抗蠕变性能最有效的途径。,64,合金元素,对镁合金性能的影响,Al,低温下固溶强化、沉淀强化；增加合金的流动性,RE,增加合金的流动性；高温和低温下固溶强化、沉淀强化；提高耐蚀性能,Th,有效提高合金的高温强度和抗蠕变性能,Y,细化晶粒；提高合金的高温强度和抗蠕变性能；提高耐蚀性能,Zn,增加合金的流动性；固溶强化,Zr,细化晶粒；和,Fe,、,Al,、,Si,元素亲和提高合金室温抗拉强度,Mn,形成,Fe-Mn,化合物沉淀强化；细化晶粒；提高合金抗蠕变性能和耐蚀性能,Si,降低合金流动性；和,Al,，,Zn,，,Mg,元素亲和细化晶粒；提高合金抗蠕变性能,65,Mg-Al,及,Mg-Zn,系合金,:,Mg-Al,及,Mg-Zn,系合金是最早用于铸件生产的二元系镁合金，许多新型的镁合金均是在这两类合金的基础上开发出来的。这两类镁合金的抗蠕变耐热性能均不高。提高镁合金高温抗蠕变性能。通常采用的方法是降低铝含量，以减少熔点低且在高温下容易软化和粗化的,Mg17Al12,相。此外，还可加入容易形成较高稳定性弥散相的合金元素，以形成热稳定性高的金属间化合物，从而改善镁合金的高温蠕变性能,66,Mg-RE,系耐热镁合金,对于铸造镁合金而言，稀土是改善其耐热性能最为有效和最具实用价值的合金元素，这是因为：,(1),稀土使晶界扩散渗透性降低，相界的凝聚作用减慢，且所形成的第二相在整个持续时间内始终是位错运动的有效障碍；,(2),稀土元素可减少金属氧化物缺陷以及改变其结晶晶格参数；,(3),大部分稀土元素与,Mg,的原子尺寸接近，以稀土为主要合金元素的铸造,Mg,合金在室温和高温下固溶强化和沉淀效果好，特别是在,Mg,中加入三价稀土元素后电子浓度提高，原子结合力增强，在,200-300,之间固溶度变化较小，时效析出比较均匀，相界附近浓度梯度变化较小。上述因素有助于阻止高温下,Mg,合金的晶界迁移和减小扩散蠕变，从而使镁合金具有优良的高温抗蠕变性能。,67,储氢材料,68,一、绪言,氢二十一世纪的绿色能源,;,69,1.1,能源危机与环境问题,化石能源的有限性与人类需求的无限性石油、煤炭等主要能源将在未来数十年至数百年内枯竭！（科技日报，,2004,年,2,月,25,日，第二版）,化石能源的使用正在给地球造成巨大的生态灾难温室效应、酸雨等严重威胁地球动植物的生存！,人类的出路何在？新能源研究势在必行！,70,1.2,氢能开发，大势所趋,氢是自然界中最普遍的元素，资源无穷无尽不存在枯竭问题,氢的热值高，燃烧产物是水零排放，无污染，可循环利用,氢能的利用途径多燃烧放热或电化学发电,氢的储运方式多气体、液体、固体或化合物,71,1.3,实现氢能经济的关键技术,廉价而又高效的制氢技术,安全高效的储氢技术开发新型高效的储氢材料和安全的储氢技术是当务之急,车用氢气存储系统目标：,IEA:,质量储氢容量,5%;,体积容量,50kg(H2)/m3,DOE:6.5%,62kg(H2)/m3,72,二、不同储氢方式的比较,气态储氢：,能量密度低,不太安全,液化储氢能耗高,对储罐绝热性能要求高,73,固态储氢的优势：,体积储氢容量高,无需高压及隔热容器,安全性好，无爆炸危险,可得到高纯氢，提高氢的附加值,74,2.1,体积比较,75,2.2,氢含量比较,76,三、储氢材料技术现状,3.1,金属氢化物,3.2,配位氢化物,3.3,纳米材料,77,金属氢化物储氢特点,反应可逆,氢以原子形式储存，固态储氢，安全可靠,较高的储氢体积密度,Abs.,Des.,M+x/2H,2,MH,x,+H,78,Position for H occupied at HSM,Hydrogen on Tetrahedral Sites,Hydrogen on Octahedral Sites,79,3.1,金属氢化物储氢,目前研制成功的：,稀土镧镍系,钛铁系,镁系,钛,/,锆系,80,稀土镧镍系储氢合金,典型代表：,LaNi5,荷兰,Philips,实验室首先研制,特点：,活化容易,平衡压力适中且平坦，吸放氢平衡压差小,抗杂质气体中毒性能好,适合室温操作,经元素部分取代后的,MmNi3.55Co0.75Mn0.47Al0.3(Mm,混合稀土，主要成分,La,、,Ce,、,Pr,、,Nd),广泛用于,镍,/,氢电池,81,PCT curves of,LaNi,5,alloy,82,钛铁系,典型代表：,TiFe,，美,Brookhaven,国家实验室首先发明,价格低,室温下可逆储放氢,易被氧化,活化困难,抗杂质气体中毒能力差,实际使用时需对合金进行表面改性处理,83,PCT curves of TiFe alloy,TiFe(40,),84,TiFe alloy,Characteristics:,two hydride phases;,phase(,TiFeH1.04)&,phase,(TiFeH1.95),2.13TiFeH0.10+1/2H2 2.13TiFeH1.04,2.20TiFeH1.04+1/2H2 2.20TiFeH1.95,85,镁系,典型代表：,Mg2Ni,，美,Brookhaven,国家实验室首先报道,储氢容量高,资源丰富,价格低廉,放氢温度高（,250,300,）,放氢动力学性能较差,改进方法：机械合金化加,TiFe,和,CaCu5,球磨，或复合,86,钛,/,锆系,具有,Laves,相结构的金属间化合物,原子间隙由四面体构成，间隙多，有利于氢原子的吸附,TiMn1.5H2.5,日本松下（,1.8,）,Ti0.90Zr0.1Mn1.4V0.2Cr0.4,活性好,用于：氢汽车储氢、电池负极,Ovinic,87,3.2,配位氢化物储氢,碱金属（,Li,、,Na,、,K,）或碱土金属（,Mg,、,Ca,）与第三主族元素,(B,、,Al),形成,储氢容量高,再氢化难,(LiAlH4,在,TiCl3,、,TiCl4,等催化下,1808MPa,氢压下获得,5,的可逆储放氢容量,),88,金属配位氢化物的的主要性能,89,3.3,碳纳米管（,CNTs,）,1991,年日本,NEC,公司,Iijima,教授发现,CNTs,90,纳米碳管储氢,-,美学者,Dillon1997,首开先河,单壁纳米碳管束,TEM,照片,多壁纳米碳管,TEM,照片,91,纳米碳管吸附储氢：,Hydrogen storage capacities of CNTs and LaNi5 for comparison(data deternined by IMR,，,RT,，,10MPa),92,纳米碳管电化学储氢,开口多壁,MoS,2,纳米管及其循环伏安分析,循环伏安曲线,93,纳米碳管电化学储氢,94,多壁纳米碳管电极循环充放电曲线，经过,100,充放电后,保持最大容量的,70,单壁纳米碳管循环充放电曲线，经过,100,充放电后,保持最大容量的,80,95,碳纳米管电化学储氢小结,纯化处理后多壁纳米碳管最大放电容量为,1157mAh/g,，相当于,4.1,重量储氢容量。经过,100,充放电后，其仍保持最大容量的,70,。,单壁纳米碳管最大放电容量为,503mAh/g,，相当于,1.84,重量储氢容量。经过,100,充放电后，其仍保持最大容量的,80,。,96,纳米材料储氢存在的问题：,世界范围内所测储氢量相差太大：,0.01,（,wt,67,（,wt,）,%,如何准确测定？,储氢机理如何,97,镁基储氢合金,镁基储氢材料由于储氢量高，质量轻，无污染，资源丰富，价格低廉，可作为,MH-Ni,电池的负极候选材料，用于生产高容量的电池，极有可能成为商业化,LaNi5,的取代者，是一种最有发展前途的储氢材料。镁基储氢材料的吸放氢性能主要取决于体系的吸放氢动力学,(,含吸放氢过程的反应速度和活化能,),。由于镁基储氢材料相结构稳定性高，形成热大，导致体系吸放氢性能差，因此限制了其实际应用。,98,1,、金属氢化物储氢材料具备的条件,(1),容易活化，单位质量、单位体积的吸氢量大；,(2),吸收和释放氢的速度高快，氢扩散速度高，可逆性好；,(3),有较平坦和较宽的平衡平台压区，平衡分解压适中，做储氢用时，室温附近的分解压应为,0.2Mpa,；,(4),吸收、分解过程中的平衡氢压差，即滞后要小；,(5),氢化物生成焓应小；,(6),寿命长，反复吸收氢后，合金粉碎量小，并且衰减慢，性能稳定；,(7),在空气中稳定，安全性能好，不易受,N2,、,O2,、水蒸汽、,H2S,等杂质气体的毒害；,(8),价格低廉、不污染环境、容易制造。,99,2,、吸氢反应原理,(1),先吸收少量的氢，形成含氢固溶体，此时合金结构保持不变，而其固溶度与固溶体的平衡氢压的平方根成正比,;,(2),固溶体进一步与氢反应，产生相变，生成氢化物,;,(3),进一步提高氢压，金属中的氢含量略有增加。,100,4,、吸放氢性能及影响因素,(1),纳米晶对镁基储氢材料吸放氢性能的影响,(2),催化剂改性对镁基储氢材料吸放氢性能的影响,(3),不同镁基储氢复合材料的吸放氢性能,(4),镁基储氢材料吸放氢性能的基础理论,101,氢能离我们还有多远？,氢能作为最清洁的可再生能源，近,10,多年来发达国家高度重视，中国近年来也投入巨资进行相关技术开发研究,氢能汽车在发达国家已示范运行，中国也正在筹划引进,氢能汽车商业化的障碍是成本高，高在氢气的储存,液氢和高压气氢不是商业化氢能汽车安全性和成本,大多数储氢合金自重大，寿命也是个问题；自重低的镁基合金很难常温储放氢、位氢化物的可逆储放氢等需进一步开发研究,碳材料吸附储氢受到重视，但基础研究不够，能否实用化还是个问号,氢能之路前途光明，道路曲折！,102,5,、研究方向,镁基储氢材料当前研究的重点主要围绕改善体系较差的吸放氢性能，镁基储氢材料新合成方法，以固体化学、材料化学、缺陷化学为基础，研究其组成与性能的基本关系，揭示催化剂改善镁基储氢材料吸放氢性能的理论机制，加强镁基储氢复合材料制备和体系吸放氢性能研究，研究出合乎人们期望值、具有商业价值的镁基储氢复合材料等诸多问题值得进一步深入研究。目前镁基储氢材料的设计方法主要是在经验规律的基础上进行归纳总结，随着量子化学、凝聚态物理等基础学科的发展以及计算机计算能力与运行速度的提高，理论计算方法在研究镁基储氢材料吸放氢性能方面的作用变得越来越重要。,103,谢谢大家,104,