Учёные местного политеха разработали систему математического моделирования проницаемости и взаимодействия водорода с другими элементами высокоэнтропийных ниобий-содержащих сплавов, являющихся перспективными при создании фильтров для очистки водорода.
Разработка позволяет проанализировать и подобрать состав для получения материалов с улучшенными свойствами без многочисленных экспериментов.
«Металлы пятой группы, к числу которых относится ниобий, являются перспективными, поскольку обладают более высокой проницаемостью водорода, чем палладий. Однако они подвержены водородному охрупчиванию. Решить эту проблему помогает добавление некоторых переходных металлов. Но зачастую это приводит к снижению водородопроницаемости и требует значительной оптимизации состава для обеспечения фазовой стабильности сплава. Высокоэнтропийные сплавы обладают набором уникальных свойств за счет так называемого коктейльного эффекта от разных элементов. Они образуют единую кристаллическую решетку, не испытывают фазовых превращений в широком диапазоне температур. Варьируя состав сплава, мы можем менять микроструктуру и кристаллическую решетку материала для улучшения проницаемости водорода при относительно низких температурах», — рассказал руководитель проекта, заведующий лабораторией перспективных материалов и обеспечения безопасности водородных энергосистем Егор Кашкаров.
Во время прохождения газа через мембранный фильтр молекула водорода при нагреве диссоциирует на атомы. Единичные атомы водорода проникают в материал и диффундируют в кристаллической решетке. Пройдя через металл, они снова соединяются в молекулу на внешней поверхности, где и получается чистый водород. Этот процесс зависит от того, как быстро движется водород в кристалле (диффузии) и как много водорода может вобрать в себя материал (растворимости).
«Для того, чтобы провести анализ структурно-фазового состояния синтезируемого материала, его проницаемости и стойкости к водородному охрупчиванию требуется большое количество экспериментов. Мы проводим моделирование кристаллов и сплавов первопринципными методами. Это позволяет существенно сократить время и трудозатраты по поиску оптимальных составов многокомпонентных сплавов. С помощью расчетов можно определить, как влияют разные элементы на параметры кристаллической решетки, характер взаимодействия водорода с атомами металлов и его диффузию в решетке, и понять их оптимальное соотношение в сплаве для достижения нужных свойств материала», — добавил доцент отделения экспериментальной физики Леонид Святкин.
Создание численных моделей позволит учёным проводить выбор и оптимизацию сплавов с низкой энергией активации сорбции и десорбции водорода, а также фазовой стабильностью в широком диапазоне температур для последующего создания металлических мембран нового поколения на основе высокоэнтропийных сплавов.
По сообщению пресс-службы ТПУ