三元合金去合金化及纳米多孔银基、铜锡合金的形成和性能研究

摘要

本文中，我们采用快速凝固方法获得多种成分配比的Al-Ag-Ni/Ru/Fe前驱体合金薄带，在20 wt.％ NaOH溶液中进行化学去合金化法处理，研究了去合金化法诱导的非混溶体系(Ag-Ni、Ag-Ru和Ag-Fe)纳米合金化的可行性，并制备出多种纳米多孔银基合金。同时对三种配比快速凝固所得Mg-Cu-Sn前驱体合金薄带在1 wt.％酒石酸中去合金化处理，获得了纳米多孔Cu-Sn合金，并对所得纳米多孔Cu6Sn5合金进行了锂离子电池充放电测试。
　　 通过X射线衍射结合二元平衡相图分析，发现本文所用快速凝固Al-Ag-Ni/Ru/Fe前驱体合金薄带分别由单一Al(Ag，Ni)、Al(Ag，Ru)和Al(Ag，Fe)相组成，Ag与Ni、Ag与Ru、Ag与Fe均固溶在Al的晶格中形成固溶体。通过X射线衍射、扫描/透射电镜、高分辨透射电镜和纳米束能谱等分析手段发现，Al-Ag-Ni和Al-Ag-Ru前驱体合金薄带在20 wt.％ NaOH溶液中化学去合金化之后，Ag与Ni、Ag与Ru这两种非混溶体系均实现了纳米合金化，在局部区域形成了Ag(Ni)或者Ag(Ru)的固溶体，这说明通过对三元合金去合金化处理来诱导非混溶体系的纳米合金化是可行的，另外由于Ni或者Ru的存在，所得到的纳米多孔Ag(Ni)、Ag(Ru)固溶体的韧带尺寸可以降低至数十纳米;对Ag(Ru)固溶体的热处理得到的Ag-RuO2复合材料的电化学测试表明其表现出了良好的超级电容器电容性能，有望在超级电容器电极材料领域获得实际应用;Al-Ag-Fe前驱体合金薄带在20 wt.％ NaOH溶液中化学去合金化时，Ag扩散为双连续纳米多孔结构的Ag基体，而Fe在OH-的环境下经过一系列反应被氧化为八面体Fe3O4颗粒，Ag与Fe最终形成了纳米多孔Ag-Fe3O4复合材料，且纳米多孔Ag基体的韧带尺寸仅为20～50 nm;为了探究纳米多孔Ag-Fe3O4复合材料的潜在应用，我们对其做了磁性测试和抗菌实验，结果表明所得纳米多孔Ag-Fe3O4复合材料具有良好的磁性和对大肠杆菌E.Coli K12优异的抗菌性能，并且磁性Fe3O4颗粒的存在使得样品在外加磁场下可以回收重复使用，可以作为潜在的新型抗菌材料。
　　 另外，对快速凝固所得Mg66Cu25.5Sn8.5、 Mg67Cu18Sn15和Mg66Cu10.2Sn23.8三种前驱体合金薄带的X射线衍射结果表明，Mg66Cu25.5Sn8.5合金由Mg2Cu和Mg2Sn两相组成，Mg67Cu18Sn15和Mg66Cu10.2Sn23.8合金均仅由Mg2Sn相组成。X射线衍射、扫描/透射电镜和X射线能谱分析表明，在1 wt.％酒石酸中去合金化之后，三种前驱体合金中的Mg元素均被完全腐蚀掉，Mg66Cu25.5Sn8.5合金形成了纳米多孔Cu3Sn合金，Mg67Cu18Sn15合金形成了纳米多孔Cu6Sn5合金，Mg66Cu10.2Sn23.8合金形成了纳米多孔 Cu6Sn5-Sn复合材料，这些结果说明Mg-Cu-Sn三元合金的去合金化可以诱导纳米多孔Cu-Sn合金的形成。对纳米多孔Cu6Sn5合金的锂离子电池充放电实验说明去合金化法所得纳米多孔Cu6Sn5合金具有良好的循环性能，在100 mA/g的电流密度下可以稳定100圈没有明显降低，通过优化参数提高容量密度之后有作为锂离子电池负极材料的潜力。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 去合金化法的历史与研究现状

1．2 去合金化法制备纳米多孔金属的原理

1．3 三元合金去合金化制备纳米多孔合金

1．3．1 三元合金去合金化诱导的非混溶体系的纳米合金化

1．3．2 Mg-Cu-Sn合金的去合金化诱导的Cu-Sn的合金化

1．4 本论文的研究内容和意义

1．4．1 研究内容

1．4．2 研究意义

1．4．3 创新点

第二章 试验方法及设备

2．1 研究方案及技术路线

2．2 试验材料、试剂及相关仪器

2．2．1 实验材料及试剂

2．2．2 实验仪器及设备

2．3 前驱体合金的熔炼及纳米多孔金属的去合金化制备

2．3．1 前驱体合金的制备

2．3．2 去合金化法处理前驱体合金

2．4 材料结构表征测试

2．4．1 X射线衍射

2．4．2 扫描电子显微镜与EDX成分分析

2．4．3 透射电子显微镜

2．4．4 高分辨透射电子显微镜分析

2．4．5 高角环形暗场-扫描透射电子显微镜和纳米束能谱分析

2．4．6 电化学测试

2．4．7 磁滞回线测试

2．4．8 N2吸附比表面积分析

2．4．8 抗菌实验

2．4．9 锂离子电池充放电实验

第三章 Al-Ag基三元合金的去合金化及其诱导的非混溶体系的合金化

3．1 引言

3．2 实验结果与讨论

3．2．1 Al-Ag-Ni、Al-Ag-Ru和Al-Ag-Fe前驱体合金初始相研究

3．2．2 Al-Ag-Ni前驱体合金的去合金化研究

3．2．3 Al-Ag-Ru前驱体合金的去合金化研究

3．2．4 Al-Ag-Fe前驱体合金的去合金化研究

3．3 本章小结

第四章 Mg-Cu-Sn合金的去合金化和纳米多孔Cu-Sn合金的制备及应用研究

4．1 引言

4．2 实验结果与讨论

4．2．1 Mg-Cu-Sn三元合金前驱体初始相组成

4．2．2 Mg-Cu-Sn前驱体合金的去合金化与纳米多孔Cu-Sn合金的形成和表征

4．2．3 纳米多孔Cu6Sn5合金的充放电实验

4．3 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

附录