پودر فلز زینتر شده تیتانیوم: چرا سطوح پایین اکسیژن رسانایی را بهبود می بخشد

اکسیژن به عنوان یک ناخالصی بین شبکه های کریستالی تیتانیوم عمل می کند. نظم معمول ساختار الکترونی تیتانیوم زمانی که اتم های اکسیژن وارد فضاهای بین اتم ها می شوند، از بین می رود. این آشفتگی حرکت الکترون ها را سخت تر می کند که مقاومت الکتریکی را افزایش می دهد. آزمایش‌های آزمایشگاهی مکرراً نشان می‌دهد که نمونه‌های تیتانیوم با خلوص بالا با سطح اکسیژن کمتر از 0.1 درصد دارای مقادیر مقاومت 30 تا 50 درصد کمتر از نمونه‌های تیتانیوم با اکسیژن بالا هستند.

در حین پخت، فازهای اکسید تیتانیوم در لبه‌های دانه‌ها تشکیل می‌شود که همین امر باعث این اثر می‌شود. این لایه های اکسید از تماس ذرات تیتانیوم رسانا با یکدیگر جلوگیری می کند. هنگامی که از پودر فلز متخلخل با اکسیژن بالا-خلوص کم-استفاده می‌شود، تشکیل اکسید به حداقل می‌رسد. این اجازه می دهد تا پیوند فلزی در رابط های ذرات تسلط یابد. در نتیجه، ساختار متخلخل دارای مسیرهای رسانای پیوسته است که حرکت الکترون را بسیار کارآمد می کند، که برای استفاده های الکتروشیمیایی مهم است.

علاوه بر مسائل مقاومتی ساده، میزان اکسیژن موجود در زیرسازه زینتر شده تأثیر زیادی دارد. پودر تیتانیوم با اکسیژن کم مرزهای دانه را تمیزتر می کند و فازهای ثانویه کمتری وجود دارد. همانطور که ذرات متخلخل می شوند، گردن های فلزی محکمی تشکیل می دهند که جریان را آسان تر می کند. انواع با اکسیژن زیاد، اجزای اکسید شکننده ای را تشکیل می دهند که هم به رسانایی و هم به استحکام مکانیکی آسیب می رساند.

میکروسکوپ الکترونی روبشی نشان می دهد که ساختارهای فیلتر فلزی ساخته شده از پودر اکسیژن کم که سیمان شده اند دارای منافذ و دیواره هایی با ضخامت یکسان هستند. به دلیل این ویژگی ها، رفتار الکتریکی کل قسمت فیلتر قابل پیش بینی است. از سوی دیگر، موادی که اکسیژن زیادی دارند، تخلخل و ضخامت ناهمواری دارند که باعث ایجاد سنبله های مقاومت در مناطق خاصی می شود که کارایی کلی سیستم را کاهش می دهد.

آزمایش در الکترولیز PEM نشان می دهد که تیتانیوم با اکسیژن کم است پودر فلز متخلخلعملکرد را به گونه ای بهبود می بخشد که قابل اندازه گیری باشد. مقادیر مقاومت تماس برای عناصر فیلتر ساخته شده از مواد با اکسیژن کمتر از 0.15% 40% کمتر از موارد ساخته شده از سایر مواد است. این بدان معنی است که انرژی کمتری در طول الکترولیز مصرف می شود که تأثیر مستقیمی بر هزینه های فرآیند دارد.

پایداری در دمای اتاق یکی دیگر از مزایای مهم است. تیتانیوم با اکسیژن کم در دماهای بین 60 تا 90 درجه از نظر الکتریکی پایدار می ماند که محدوده طبیعی دستگاه های الکترولیز آب است. هنگامی که دما تغییر می کند، مواد با اکسیژن زیاد تغییرات بیشتری در مقاومت خود نشان می دهند، که کنترل سیستم را سخت تر می کند و راندمان را کاهش می دهد. از آنجایی که پودر با خلوص-در دماهای بالا پایدار است، برای مدت طولانی به خوبی کار می کند و رسانایی خود را در طول هزاران ساعت استفاده از دست نمی دهد.

برای انتخاب پودر فلز متخلخل تیتانیوم مناسب برای استفاده از فیلتر رسانا، باید تعدادی از عوامل مواد را متعادل کنید. نیاز اصلی مقدار اکسیژن موجود است. برای نیازهای هدایت بالا، اهداف زیر 0.15٪ پیشنهاد می شود. هنگامی که سطح خلوص بالاتر از 99.5٪ باشد، آهن، کربن یا مواد دیگری در آن وجود ندارد که به عملکرد الکتریکی یا مقاومت در برابر زنگ زدگی آسیب برساند.

گسترش اندازه ذرات تأثیر مستقیمی بر شکل منافذ و نحوه تف جوشی مواد دارد. پودرهایی با اندازه‌های ثابت بین 20 تا 50 میکرومتر، عناصر فیلتری را می‌سازند که بهترین ترکیب برای عبور دادن اشیا و قوی بودن هستند. ذرات ریزتر ساختارهایی را می سازند که متراکم تر و رسانایی بالاتر اما ظرفیت جریان کمتری دارند. از سوی دیگر، توزیع درشت تر، سازه هایی را می سازد که نفوذپذیرتر هستند اما کیفیت تماس الکتریکی بدتری دارند. مشخصات اندازه ذرات مناسب بر اساس نیازهای برنامه است.

هنگامی که سیستم های PEM به روش های مختلف استفاده می شوند، به استراتژی های انتخاب پودر متفاوتی نیاز دارند. عناصر فیلتر جانبی آند{1}}در معرض شرایط اکسیداسیونی قرار دارند که به بالاترین سطح حفاظت در برابر خوردگی و رسانایی نیاز دارند. بهترین ترکیب کیفیت را می توان در پودر تیتانیوم با خلوص بالا- با سطح اکسیژن زیر 0.12% یافت. اگرچه استفاده‌های جانبی کاتد کمتر احتمال دارد خورده شوند، اما همچنان به اکسیژن کم نیاز دارند تا راندمان الکتریکی کلی سیستم را بالا نگه دارند.

نیازهای فشار دیفرانسیل بر انتخاب مورفولوژی پودر تأثیر می گذارد. ذرات گرد به طور یکنواخت تر بسته بندی می شوند و ساختار منافذ ثابت تری دارند، که آنها را برای فیلتراسیون دقیق با خواص افت فشار پایدار عالی می کند. ذرات نامنظم سازه‌هایی را می‌سازند که بهتر در کنار هم قرار می‌گیرند و قوی‌تر می‌شوند، که آن‌ها را برای موقعیت‌های فشار بالا که یکپارچگی ساختار مهم‌تر از راندمان الکتریکی است، مناسب می‌کند.

سازگاری در ویژگی‌های پودر فلز متخلخل از دسته‌ای به دسته دیگر باعث می‌شود که عناصر فیلتر در تعداد زیادی از تولیدات یکسان عمل کنند. ارائه دهندگان قابل اعتماد از قوانین کنترل کیفیت سختگیرانه پیروی می کنند تا مطمئن شوند که سطح اکسیژن بیش از 0.02٪ بین قطعات تولید تغییر نمی کند. این ثبات زمانی که از ساخت نمونه های اولیه به ساخت بسیاری از آنها برای پروژه های تولید هیدروژن تجاری می رویم بسیار مهم است.

هر مقدار پودر باید دارای گواهی تجزیه و تحلیل باشد که در آن مقدار اکسیژن موجود در پودر، توزیع اندازه ذرات، چگالی قابل مشاهده و ترکیب عناصر کمیاب را ذکر می کند. این کاغذبازی به سازندگان کمک می‌کند تا تغییرات عملکرد را به دسته‌های خاصی از مواد ردیابی کنند، که بهبود روش‌های ساخت عناصر فیلتر را آسان‌تر می‌کند.

دستگاه های الکترولیز آب PEM به تمام قطعات موجود در مسیر جریان نیاز دارند تا در استفاده از برق بسیار خوب باشند. برای پایین نگه داشتن تلفات مقاومتی تا حد امکان، سازندگان فیلترهای فلزی متخلخل بر روی پودر تیتانیوم کم اکسیژن تمرکز می کنند. برای استفاده‌های بالا، جایی که رسانایی اثر مستقیمی بر هزینه تولید هیدروژن دارد، استانداردهای مواد معمولاً سطح اکسیژن کمتر از 0.10% را هدف قرار می‌دهند.

تجزیه و تحلیل مصرف انرژی ارتباط بین میزان اکسیژن در سیستم و میزان عملکرد آن در کل را نشان می دهد. یک پشته PEM با عناصر فیلتر فلزی متخلخل متخلخل متخلخل با اکسیژن کم، در مقایسه با سیستم‌هایی با موادی که محتوای اکسیژن معمولی دارند، حدود 3 تا 5 درصد برق کمتری مصرف می‌کنند.

در طی سال‌های زیادی که از الکترولیزهای تجاری استفاده می‌شود، این افزایش راندمان باعث صرفه‌جویی در هزینه‌های زیادی می‌شود، به همین دلیل است که از مواد با کیفیت- استفاده می‌شود. در تمام مراحل ساخت عناصر فیلتر باید به ویژگی های اکسیژن کم توجه داشت. استفاده از روش های تف جوشی خلاء از کثیف شدن هوا در طی فرآیندهای حرارتی جلوگیری می کند. جابجایی محافظ اکسیژن باعث حفظ یکپارچگی مواد در حین نگهداری و ارسال به صورت پودر می شود. این کنترل‌های فرآیند اطمینان حاصل می‌کنند که مزایای پودر اکسیژن کم در رسانایی در عملکرد فیلتر نهایی نشان داده می‌شود.

علاوه بر رسانایی بیشتر سیستم ها، پودر تیتانیوم کم اکسیژن باعث می شود در محیط های اسیدی مانند آنچه در سیستم های PEM یافت می شود کمتر زنگ بزنند. مرزهای دانه‌های آزاد{1}}اکسید توسط انواع فرآیندهای حمله که مواد با اکسیژن بالا را در طول زمان تجزیه می‌کنند، آسیب نمی‌بینند. این باعث می شود قسمت فیلتر دوام بیشتری داشته باشد، بنابراین نیازی به تعویض زیاد نیست و هزینه نگهداری آن کمتر است.

روش‌های آزمایشی که نمونه‌های فیلتر فلزی متخلخل را در شرایط عملیاتی شبیه‌سازی‌شده PEM قرار می‌دهند، نشان می‌دهند که میزان تخریب بسیار متفاوت است. پس از بیش از 5000 ساعت تماس، مواد کم اکسیژن هنوز پایداری ساختاری و خواص الکتریکی خود را دارند. از طرف دیگر، مواد با اکسیژن بالا پس از 2000 ساعت شروع به از دست دادن عملکرد خود می کنند. این مزیت طولانی‌تر- ارزش مشخصات پودر تیتانیوم برتر را قوی‌تر می‌کند.

تغییرات دمای عملیاتی در سیستم های PEM پایدار ماندن مواد را سخت می کند. اکسیژن کمپودر فلز متخلخلهنگامی که دما از دمای اتاق به 90 درجه تغییر می کند، ساختارها خواص الکتریکی و مکانیکی خود را یکسان نگه می دارند. فقدان مراحل اکسید باعث توقف تغییرات ریزساختاری ناشی از گرما می شود که به عملکرد مواد معمولی آسیب می رساند.

آزمایش‌های زیاد روی این ماده نشان می‌دهد که پیوندهای کمی واضحی بین مقدار اکسیژن در ساختارهای تیتانیوم متخلخل و مقاومت الکتریکی آنها وجود دارد. مقادیر مقاومت حجیم برای مواد با 0.08٪ اکسیژن نزدیک به 55 میکرو اهم-سانتی متر است که نزدیک به حداقل تئوری برای تیتانیوم است. مقاومت حدود 15 تا 20 درصد به ازای هر 0.05 درصد افزایش سطح اکسیژن افزایش می یابد که نشان می دهد این یک مشخصات چقدر مهم است. محتوای اکسیژن حتی بیشتر با مقاومت تماس بین عناصر فیلتر متخلخل و کلکتورهای جریان پشتیبانی نشان داده می شود. اندازه گیری مقاومت رابط نشان می دهد که مواد با اکسیژن کمتر (زیر 0.10٪) دارای مقادیر مقاومت تماس هستند که 50٪ کمتر از مواد با 0.20٪ اکسیژن است. این تفاوت برای پایین نگه داشتن تلفات ولتاژ تا حد امکان در تنظیمات پشته PEM که کنار هم قرار گرفته اند بسیار مهم است.

مطالعات میکروسکوپی نشان می دهد که چگونه مقدار اکسیژن بر مواد شیمیایی و ساختار مرزهای دانه تأثیر می گذارد. پودر فلز متخلخل با اکسیژن کم، مرزهای فلزی تمیزی را با اتصال الکترونیکی عالی بین دانه هایی که در کنار یکدیگر قرار دارند، ایجاد می کند. سطوح بالاتر اکسیژن، لایه‌های حاشیه‌ای ضخیم با دی اکسید تیتانیوم می‌سازد. این لایه‌ها به‌عنوان عایق عمل می‌کنند و الکترون‌ها را مجبور می‌کنند تا از این موانع عبور کنند یا از آن عبور کنند.

یک عنصر فیلتر متخلخل متخلخل متخلخل متخلخل متخلخل دارای میلیون‌ها حد دانه است که به یک سطح{0}مقاومت سیستمی می‌رسد که می‌تواند اندازه‌گیری شود. طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی و سایر روش‌های پیشرفته برای مشخص کردن چیزها نشان می‌دهد که تفاوت‌های مقاومت توده‌ای که در نمونه‌های آزمایشگاهی مشاهده می‌شود، مستقیماً به نحوه عملکرد عناصر فیلتر در سیستم‌های{2} دنیای واقعی مرتبط است.

خواص رسانایی نهایی با نحوه ترکیب دما و اتمسفر پخت با محتوای اکسیژن پودر اصلی تعیین می شود. مواد اولیه با اکسیژن کمتر را می توان در طیف وسیع تری از دماها پردازش کرد و همچنان شکل هایی با رسانایی خوب تولید کرد. برای به دست آوردن کیفیت الکتریکی خوب، پودرهای اکسیژن بالا باید تحت شرایط بسیار دقیق کنترل شده پخت شوند، که تولید را دشوارتر می کند و تعداد دفعات را افزایش می دهد.

چهار-خوانش پروب نقطه‌ای روی نمونه‌های معرف برای آزمایش تضمین کیفیت در طول فرآیند تولید توسط سازندگان فیلترهای فلزی متخلخل استفاده می‌شود تا از رعایت استانداردهای رسانایی اطمینان حاصل شود. عوامل پذیرش معمولاً بالاترین مقادیر مقاومت مجاز را بر اساس نحوه استفاده از مواد فهرست می کنند. مواد پودر اکسیژن کم به میزان زیادی نرخ بازده را افزایش می‌دهد و بدون نیاز به بهینه‌سازی فرآیند، اهداف رسانایی دقیق را برآورده می‌کند.

برای اینکه یک فیلتر الکتروشیمیایی به خوبی کار کند، هدایت الکتریکی و نفوذ سیال آن باید همزمان بهینه شود. پودر فلز زینتر شده تیتانیوم با اکسیژن کم این تعادل را با امکان کنترل توزیع اندازه ذرات و پارامترهای تف جوشی امکان پذیر می کند. زمانی که 70 درصد ذرات بین 30 تا 40 میکرومتر اندازه و 30 درصد کوچکتر باشند، ساختارهایی با تخلخل 35 تا 45 درصد ساخته می شوند. این سازه ها رسانایی خوب و ظرفیت جریان کافی دارند.

آزمایش نفوذپذیری عناصر فیلتر تولیدی نشان می‌دهد که مواد کم اکسیژن با 20% اختلاف فشار کمتر نسبت به معادل‌های اکسیژن بالا به نرخ جریان مطلوب می‌رسند. این عملکرد بهتر از ساختارهای منفذی منظم تر و لایه های اکسیدی کوچکتر در مرزهای دانه حاصل می شود که مقاومت جریان را کاهش می دهد. هنگامی که راندمان الکتریکی و هیدرولیک با هم جمع شوند، باعث می شوند سیستم PEM به طور کلی بهتر کار کند.

در حالی که رسانایی موضوع اصلی صحبت‌های استاندارد است، استحکام مکانیکی اطمینان می‌دهد که عناصر فیلتر می‌توانند فشار عملکرد را تحمل کنند. هنگامی که به درستی پردازش شوند، ساختارهای فیلتر متخلخل فلزی متخلخل با اکسیژن کم دارای استحکام کششی بیش از 300 مگاپاسکال هستند، به این معنی که می توانند تغییرات فشار و گرما را تحمل کنند. محتوای کم اکسیژن باعث اتصال فلزی تمیز می شود که منجر به خواص مکانیکی بهتر و همچنین مزایای الکتریکی می شود.

آزمایش مقاومت در برابر خستگی تحت هزاران چرخه فشار نشان می‌دهد که مواد با سطح اکسیژن پایین یکپارچگی ساختاری خود را حفظ می‌کنند و ترک نمی‌خورند یا عملکرد خود را از دست نمی‌دهند. این طول عمر برای قابلیت اطمینان طولانی مدت در تأسیساتی که همیشه هیدروژن تولید می کنند بسیار مهم است، جایی که تعمیر غیرمنتظره می تواند برنامه های تولید و اقتصاد را به هم بزند.

ارائه دهندگان مدرن ازپودر فلز متخلخلفرمول هایی را ارائه می دهد که به طور خاص برای رفع نیازهای هر برنامه ساخته شده اند. با مخلوط کردن مقادیر مختلف اندازه ذرات، تغییر شکل پودر و یافتن بهترین روش‌های پخت، می‌توان عناصر فیلتر با کیفیت‌های دقیق دلخواه را ساخت. مواد پایه اکسیژن کم بهترین مکان برای شروع در هنگام سفارشی‌سازی هستند، زیرا اطمینان می‌دهند که الزامات رسانایی برآورده می‌شوند و سایر ویژگی‌های عملکرد تنظیم می‌شوند.

طرح های گرادیان که فرمول های پودری مختلف را در داخل یک عنصر فیلتر ترکیب می کند، بهترین عملکرد را برای طیف وسیعی از نیازها ارائه می دهد. یک لایه دانه ریز-در خارج اشیا را دقیقاً فیلتر می‌کند، در حالی که یک لایه درشت در داخل، رسانایی و نفوذپذیری را افزایش می‌دهد. برای به دست آوردن عملکرد قابل اعتماد در سطح سیستم، این سیستم های پیچیده نیاز به کیفیت پودر اکسیژن کم دارند تا در همه لایه ها یکسان باشند.