Титанов синтерован метален прах: Защо ниските нива на кислород подобряват проводимостта

Кислородът действа като примес между кристалните решетки на титана. Обичайният ред на електронната структура на титана се нарушава, когато кислородните атоми попаднат в пространствата между атомите. Тази бъркотия затруднява движението на електроните, което повишава електрическото съпротивление. Тестовете в лабораторията многократно показват, че пробите от титан с висока-чистота с нива на кислород под 0,1% имат стойности на съпротивление с 30 до 50 процента по-ниски от пробите от титан с високо-кислород.

По време на синтероването се образуват фази от титанов оксид по краищата на зърната, което е причината за този ефект. Тези оксидни слоеве предпазват проводимите титаниеви частици от допир една с друга. Когато се използва високо-ниско{3}}кислородно синтерован метален прах с висока чистота, образуването на оксид е сведено до минимум. Това позволява металното свързване да поеме интерфейсите на частиците. В резултат на това синтерованата структура има непрекъснати проводими пътеки, които правят движението на електроните много ефективно, което е важно за електрохимичните приложения.

В допълнение към простите проблеми със съпротивлението, количеството кислород в синтерованата подструктура има голямо влияние. Титановият прах с ниско съдържание на кислород прави границите на зърната по-чисти и има по-малко вторични фази. Докато частиците се синтерират, те образуват здрави метални шийки, които улесняват протичането на тока. Вариантите с много кислород образуват крехки оксидни включвания, които влошават както проводимостта, така и механичната якост.

Сканиращата електронна микроскопия показва, че металните филтърни структури, направени от прах с ниско съдържание на кислород, които са циментирани, имат равномерно разпределени пори и стени с еднаква дебелина. Поради тези характеристики може да се предвиди електрическото поведение на цялата филтърна част. От друга страна, материалите с много кислород имат неравномерни промени в порьозността и дебелината, които водят до пикове на съпротивлението в определени области, което намалява общата ефективност на системата.

Тестването в PEM електролизатор показва, че титанът с ниско съдържание на кислород синтерован метален прахподобрява производителността по начин, който може да бъде измерен. Стойностите на контактно съпротивление за филтърни елементи, направени от материали с по-малко от 0,15% кислород, са с 40% по-ниски от тези, направени от други материали. Това означава, че по време на електролизата ще се използва по-малко енергия, което има пряк ефект върху разходите за процеса.

Стабилността при стайна температура е друго важно предимство. Титанът с ниско съдържание на кислород остава електрически стабилен при температури между 60 градуса и 90 градуса, което е нормалният диапазон за устройства за електролиза на вода. Когато температурата се промени, материалите с много кислород показват повече промени в устойчивостта си, което прави управлението на системата по-трудно и намалява ефективността. Тъй като прахът с висока -чистота е стабилен при високи температури, той работи добре за дълго време и не губи своята проводимост в продължение на хиляди часове употреба.

За да изберете правилния синтерован метален прах от титан за използване на проводим филтър, трябва да балансирате редица материални фактори. Основното изискване е количеството наличен кислород; за нуждите от висока проводимост се препоръчват цели под 0,15%. Когато нивото на чистота е по-високо от 99,5%, в него няма много желязо, въглерод или други неща, които биха могли да навредят на неговите електрически характеристики или устойчивост на ръжда.

Разпределението на размерите на частиците има пряк ефект както върху формата на порите, така и върху начина, по който материалът се синтерира. Праховете с фиксирани размери между 20 и 50 микрометра правят филтърни елементи, които са най-добрата комбинация от възможност за пропускане на нещата и здравина. По-фините частици правят структури, които са по-плътни и имат по-висока проводимост, но по-малък капацитет на потока. По-грубите разпределения, от друга страна, правят структури, които са по-пропускливи, но имат по-лошо качество на електрически контакт. Правилната спецификация на размера на частиците се основава на нуждите на приложението.

Когато PEM системите се използват по различни начини, те се нуждаят от различни стратегии за избор на прах. Спечените филтърни елементи от страната на анода- са изложени на окислителни условия, които изискват най-високо ниво на защита от корозия и проводимост. Най-добрата комбинация от качества може да се намери в титанов прах с висока-чистота с ниво на кислород под 0,12%. Въпреки че катодните-употреби е по-малко вероятно да корозират, те все още се нуждаят от ниски изисквания за кислород, за да поддържат общата електрическа ефективност на системата висока.

Необходимостта от диференциално налягане влияе върху избора на морфология на праха. Кръглите частици се опаковат по-равномерно и имат по-постоянна структура на порите, което ги прави перфектни за прецизна филтрация със свойства за стабилен спад на налягането. Неправилните частици правят структурите, които пасват по-добре и са по-здрави, което ги прави подходящи за ситуации с високо-налягане, където целостта на структурата е по-важна от електрическата ефективност.

Последователността в характеристиките на синтерования метален прах от партида до партида гарантира, че филтърните елементи работят по един и същи начин в големи производствени количества. Надеждните доставчици следват стриктни правила за контрол на качеството, за да се уверят, че нивото на кислорода не се променя повече от 0,02% между производствените партиди. Тази последователност е много важна, когато се преминава от правенето на прототипи към производството на много от тях за комерсиални проекти за производство на водород.

Всяка партида прах трябва да се доставя със сертификат за анализ, който изброява количеството кислород в праха, разпределението на размера на частиците, видимата плътност и състава на микроелементите. Тази документация помага на производителите да проследяват промените в производителността обратно към конкретни партиди материали, което улеснява непрекъснатото подобряване на начините, по които правят филтърни елементи.

PEM устройствата за водна електролиза се нуждаят от всички части в токовия път, за да бъдат много добри в използването на електричество. За да поддържат резистивните загуби възможно най-ниски, производителите на синтеровани метални филтри се фокусират върху титанов прах с ниско съдържание на кислород. За високи-крайни употреби, където проводимостта има пряк ефект върху разходите за производство на водород, стандартите за материали обикновено се стремят към ниво на кислород под 0,10%.

Анализът на консумацията на енергия показва връзката между количеството кислород в системата и колко добре работи като цяло. PEM купчина със синтеровани порести метални филтърни елементи с ниско съдържание на кислород използва около 3–5% по-малко електроенергия от системите с материали с нормално съдържание на кислород.

През годините, през които се използват търговските електролизатори, това повишаване на ефективността спестява много пари, поради което се използват високо{0}}качествени материали. Нискокислородните свойства трябва да се имат предвид по време на целия процес на производство на филтърните елементи. Използването на методи за вакуумно синтероване предпазва въздуха от замърсяване по време на топлинни процеси. Защитното боравене с кислород запазва целостта на материала, докато се съхранява и транспортира като прах. Тези контроли на процеса гарантират, че предимствата на нискокислородния прах в проводимостта се проявяват в работата на крайния филтър.

В допълнение към това, че прави системите по-проводими, титановият прах с ниско съдържание на кислород ги прави по-малко вероятно да ръждясват в киселинни среди като тези в PEM системите. Свободните-оксидни граници на зърната не се увреждат от видовете процеси на атака, които разграждат високо{2}}кислородните материали с течение на времето. Това прави филтърната част по-дълготрайна, така че не е необходимо да се сменя толкова често и струва по-малко за поддръжка.

Методите за изпитване, които поставят проби от проби от порести метални филтри през симулирани работни условия на PEM, показват, че скоростите на разграждане са много различни. След повече от 5000 часа контакт материалите с ниско съдържание на кислород все още имат своята структурна стабилност и електрически свойства. Материалите с високо съдържание на кислород, от друга страна, започват да губят ефективността си след 2000 часа. Това по-дълготрайно-предимство прави стойността на превъзходните характеристики на титанов прах още по-голяма.

Промените в работната температура в PEM системите затрудняват материалите да останат стабилни. Нисък кислородсинтерован метален прахструктурите запазват своите електрически и механични свойства същите, когато температурата се промени от стайна температура до 90 градуса. Липсата на оксидни етапи спира микроструктурните промени, причинени от топлината, които влошават работата на нормалните материали.

Много тестове на материала показват, че има ясни количествени връзки между количеството кислород в синтерованите титанови структури и тяхното електрическо съпротивление. Стойностите на обемното съпротивление за материали с 0,08% кислород са близки до 55 микроома-сантиметра, което е близо до теоретичния минимум за титан. Съпротивлението се повишава с около 15 до 20% за всеки 0,05% повишаване на нивото на кислорода, което показва колко важна е тази спецификация. Още повече съдържание на кислород се вижда от контактното съпротивление между синтерованите филтърни елементи и поддържащите токоотводи. Измерванията на интерфейсното съпротивление показват, че материалите с по-малко кислород (под 0,10%) имат стойности на контактно съпротивление, които са с 50% по-ниски от материалите с 0,20% кислород. Тази разлика е много важна за поддържане на загубите на напрежение възможно най-ниски в настройките на PEM стека, които са събрани заедно.

Микроскопските изследвания показват как количеството кислород влияе върху химическия състав и структурата на границите на зърната. Спечен метален прах с ниско съдържание на кислород прави чисти метални граници с голяма електронна свързаност между зърната, които са едно до друго. По-високите нива на кислород правят гранични филми, които са дебели с титанов диоксид. Тези филми действат като изолатори, принуждавайки електроните да преминават през или да заобикалят тези бариери.

Един нормален синтерован порест метален филтърен елемент има милиони граници на зърно, които добавят към съпротивление-на ниво система, което може да бъде измерено. Електрохимичната импедансна спектроскопия и други усъвършенствани методи за характеризиране на нещата показват, че разликите в обемното съпротивление, наблюдавани в лабораторни проби, са пряко свързани с това колко добре работят филтърните елементи в системите от реалния-свят.

Крайните свойства на проводимостта се определят от това как температурата на синтероване и атмосферата се комбинират с оригиналното съдържание на кислород в праха. Изходните материали с по-малко кислород могат да бъдат обработени в по-широк диапазон от температури и все още да произвеждат форми с добра проводимост. За да се получат добри електрически качества, праховете с високо съдържание на кислород трябва да се синтероват при много внимателно контролирани условия, което прави производството по-трудно и увеличава броя на бракуваните продукти.

Отчитанията от четири{0}}точкови сонди върху представителни проби се използват за тестване за осигуряване на качеството по време на производствения процес от производителите на синтерован метален филтър, за да се уверят, че стандартите за проводимост са изпълнени. Коефициентите на приемливост обикновено изброяват най-високите стойности на съпротивление, които са разрешени въз основа на това как ще се използва материалът. Прахообразният материал с ниско съдържание на кислород значително повишава нивата на добив и отговаря на строги цели за проводимост, без да изисква много оптимизация на процеса.

За да може един електрохимичен филтър да работи добре, неговата електрическа проводимост и проникване на течност трябва да бъдат оптимизирани едновременно. Титанов синтерован метален прах с ниско съдържание на кислород прави този баланс възможен, като ви позволява да контролирате разпределението на размера на частиците и параметрите на синтероване. Когато 70% от частиците са с размер между 30 и 40 микрометра и 30% са по-малки, се получават структури с 35 до 45% порьозност. Тези структури имат добра проводимост и достатъчен капацитет на потока.

Тестването на пропускливостта на производствените филтърни елементи показва, че материалите с ниско съдържание на кислород достигат желаните скорости на потока при 20% по-ниска разлика в налягането в сравнение с еквивалентите с високо съдържание на кислород. Това по-добро представяне идва от по-правилни структури на порите и по-малки оксидни слоеве по границите на зърната, които намаляват съпротивлението на потока. Когато електрическата и хидравличната ефективност се добавят заедно, те правят PEM системата да работи по-добре като цяло.

Докато проводимостта е основната тема на стандартните разговори, механичната якост гарантира, че филтърните елементи могат да се справят с работния натиск. Когато се обработват правилно, синтерованите порести метални филтърни структури с ниско съдържание на кислород имат якост на опън над 300 MPa, което означава, че могат да се справят с промени в налягането и топлината. Ниското съдържание на кислород позволява чисто метално свързване, което води до по-добри механични свойства, както и електрически предимства.

Тестването за устойчивост на умора при хиляди цикли на налягане показва, че материалите с ниски нива на кислород запазват своята структурна цялост и не се напукват или губят ефективност. Тази дълготрайност е много важна за дългосрочната -надеждност в съоръжения, които произвеждат водород през цялото време, където неочакван ремонт може да обърка производствените планове и икономиката.

Съвременните доставчици насинтерован метален прахпредлагат формули, които са специално направени, за да отговорят на нуждите на всяко приложение. Чрез смесване на различни количества размер на частиците, промяна на формата на праха и намиране на най-добрите методи за синтероване, могат да бъдат направени филтърни елементи с точно желаните качества. Материалите с ниско съдържание на кислород са най-доброто място за започване при персонализиране, защото те гарантират, че изискванията за проводимост са изпълнени, докато другите характеристики на ефективността са настроени.

Градиентни дизайни, които комбинират различни прахообразни формули в един филтърен елемент, дават най-доброто представяне за широк диапазон от нужди. Финият-зърнест слой отвън филтрира нещата прецизно, докато грубият слой отвътре увеличава проводимостта и пропускливостта. За да получат надеждна производителност-на ниво система, тези сложни системи се нуждаят от ниско качество на кислородния прах, за да бъдат еднакви във всички слоеве.