Y,Mn和Nd合金元素对镁合金耐蚀性和电化学性能影响

摘要

镁合金电负性高，能量密度大，在电化学领域具有很大的应用潜力。但是镁合金本身由于化学性能活泼，自腐蚀问题严重，在镁电池方面的应用受到了限制。因此，本文通过考了Y，Mn和Nd三种合金因素以及形成的第二相对镁合金的腐蚀性能和电化学性能的影响来分析考察镁合金作为阳极材料的性能，并讨论了第二相的种类和分布情况对镁合金腐蚀性能和电化学性能的影响，找到性能最好的阳极材料。
　　本文采用浸泡实验，失重实验和析氢实验来测试了三种合金元素对镁合金的腐蚀性能的影响，通过开路电位测试（OCP）、Tafel极化曲线、电化学阻抗测试（EIS）、恒电流-时间曲线测试以及扫描电子显微镜（SEM）等手段考察了镁合金在3.5 wt.％NaCl溶液中，作为电池阳极材料的电化学性能。第二相的种类方面，比较了α-Mn， Mg24Y5和 Mg12Nd三种第二相对镁合金的耐腐蚀性能和电化学性能的影响；第二相的分布状态方面，比较在晶界连续分布的Mg12Nd和枝晶间分布的Mg24Y5的两种第二相分布状态对镁合金的耐腐蚀性能和电化学性能的影响。研究结果如下：
　　随着Y元素的增加，Mg-Y合金的耐腐蚀性能逐渐降低。富含Mg24Y5第二相的枝晶间首先发生点蚀现象，随后沿着富 Y的区域发生扩展。同时，在浸泡的过程中，M-Y合金的腐蚀速率呈现先上升后平稳的趋势。而电化学活性随着Y含量的逐渐增加，恒电流放电电压性能逐渐提高。同时，随着第二相数量的增加，放电形貌逐渐均匀，放电产物富集的现象逐渐减小。
　　随着Mn元素的增加，Mg-Mn合金的耐腐蚀性性能逐渐提高。利用失重法测得的腐蚀速率中，Mg-0.5Mn合金的腐蚀速率随着浸泡时间的增加而增加。Mg-1Mn， Mg1.5Mn和Mg-2Mn合金的腐蚀速率随着浸泡时间的增加而逐渐稳定。α-Mn第二相与基体之间，没有发生剧烈的电偶腐蚀现象。其电化学性能随着Mn含量的增加而逐渐降低，恒电流放电电压逐渐降低。随着Mn含量的增加，放电形貌逐渐不均匀，出现大量的放电产物富集。
　　在Mg-xY-1Mn合金中，合金的耐腐蚀性能随着Y含量的增加而逐渐增加。Mg-0.5Y-1Mn和 Mg-1Y-1Mn的腐蚀速率随着浸泡时间的增加逐渐平稳，而Mg-3Y-1Mn和Mg-5Y-1Mn的腐蚀速率随着浸泡时间的增加，而呈现一个上升趋势。Mg24Y5第二相依旧是发生点蚀的源头。横向对比Mg-Y合金，Mn的添加提高了合金的耐腐蚀性能。随着Y含量的从0.5wt.%增加到3wt.%，合金的电化学活性逐渐降低，恒电流放电电压逐渐降低。从3wt.%增加到5wt.%，电化学活性再次上升。同时，随着Y含量的增加，放电形貌逐渐均匀。
　　在Mg-xNd-0.3Zr合金中，Mg-5Nd-0.3Zr合金兼备着最好的耐腐蚀性能和最好的放电性能。Mg-5Nd-0.3Zr中的 Mg12Nd第二相在浸泡过程中，可以有效的阻碍腐蚀的连续进行，有效的保护了基体。而Mg-11Nd-0.3Zr中的Mg12Nd第二相在浸泡过程中，由于过于粗大，在腐蚀过程中，成为腐蚀裂缝的源头。同时， Mg-5Nd-0.3Zr的电化学活性较高。其恒电流放电电压较高，同时，放电形貌也较均匀。

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1 绪论

1.1 综述

1.2 镁-空气电池阳极材料的研究现状

1.3 镁阳极材料的电极的研究现状

1.4 本文的研究目的和内容

2 实验材料及方法

2.1 化学试剂及仪器

2.2 实验合金的成分设计和制备

2.3 耐腐蚀性能的测试方法

2.5 SEM（Scanning Electron Microscope) 扫描电镜分析

2.6 XRD (X-Ray Diffraction)分析

3 Mg-Y合金的耐腐蚀性能和放电性能的研究

3.1 Mg-Y二元合金的微观组织和形貌

3.2 Mg-Y阳极合金材料的耐腐蚀性能试验

3.3 Mg-Y合金的电化学性能研究

3.4 本章小结

4 Mg-Mn合金的耐腐蚀性能和放电性能的研究

4.1 Mg-Mn二元合金的微观组织和形貌

4.2 Mg-Mn阳极合金材料的耐腐蚀性能试验

4.3 Mg-Mn合金的电化学性能研究

4.4 本章小结

5 Mg-Y-Mn合金的耐腐蚀性能和放电性能的研究

5.1 Mg-Y-Mn三元合金的微观组织和形貌

5.2 Mg-Y-Mn阳极合金材料的耐腐蚀性能试验

5.3 Mg-Y-Mn合金的电化学性能研究

5.4 本章小结

6 Mg-Nd-Zr合金的耐腐蚀性能和放电性能的研究

6.1 Mg-Nd-Zr三元合金的微观组织和形貌

6.2 Mg-Nd-Zr阳极合金材料的耐腐蚀性能试验

6.3 Mg-Nd-Zr合金的电化学性能研究

6.4 本章小结

7 结 论

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录