Processamento de compósitos Mg-Ti por moagem de alta energia e laminação repetitiva para aplicação em armazenagem de hidrogênio

Abstract

Magnesium-based nanocomposites have been largely studied for hydrogen storage purposes, aiming to achieve fast absorption and desorption kinetics, with consequent high storage capacity at relatively low temperatures. Mg based hydrides like MgH2 and Mg2FeH6 fulfill the main requirements for a safe and efficient H2 storage: high volumetric and gravimetric capacity and an endothermic desorption reaction. In recent years, research and development of Mg-based alloys produced by severe plastic deformation (SPD) processes are presenting a great impact, as productions of nanostructured materials with high oxidation resistance and with textures that are favorable to hydrogenation. In this context, this dissertation aims to study Mg-based nanocomposites for hydrogen storage, combining two SPD processes: high energy ball milling (HEBM) for the nanocomposites production and cold rolling (CR) for the consolidation of the powders produced by HEBM. Besides the processing route, the effect of catalyst (Ti) additions by 1 and 3 at.% on the absorption capacity of the alloy are also evaluated. Furthermore, as long-term exposition to natural ambient can affect the hydrogen storage capacity, the effect of ageing on the absorption capacity of the composites was also evaluated. The composite powders containing 1 and 3 at.% of Ti presented a storage capacity higher than 5.5 w%, which decreases to around 4.5 w%, after long periods of ageing. However, in the aged powder samples, no incubation time was observed, saturation occurs after 2.5h, and the desorption temperature was decreased by 6% in comparison to pure commercial MgH2. After CR consolidation, it was produced a porous bulk material with high (002) plane texture. Both characteristics are highly favorable to the H absorption process. Nevertheless, during hydrogenation, the kinetic behavior of the CR samples was quite similar to the powder samples, but a significant decrease (~14%) on the temperature desorption was registered. The CR processing resulted in a slight increase on the H storage capacity for non-aged samples containing 1% of Ti. The CR consolidation of aged powders decreased the hydrogen storage capacity.

Os nanocompósitos à base de magnésio têm sido estudados para armazenagem de hidrogênio, no intuito de alcançar cinética rápida de absorção e dessorção, e consequentemente alta capacidade de armazenagem, à temperaturas relativamente baixas. Os hidretos à base de Mg, como MgH2 e Mg2FeH6 atendem aos principais requisitos para o armazenamento seguro e eficiente de H2: altas capacidades volumétricas e gravimétricas e uma reação de dessorção endotérmica. Nos últimos anos, a pesquisa e o desenvolvimento de ligas à base de Mg por processos de deformação plástica severa (SPD) tem alcançado grande repercussão, devido à possiblidade de produção de materiais nanoestruturados maciços, que apresentam maior resistência à oxidação e texturas favoráveis à hidrogenação. Neste contexto, esta dissertação tem como objetivo estudar nanocompósitos à base de Mg e Ti para armazenagem de hidrogênio combinando dois processos de SPD: moagem de alta energia (MAE) para produção dos nanocompósitos e laminação a frio (CR) em múltiplos passes para consolidação dos pós produzidos por MAE. Além da rota de processamento, também foi avaliado o efeito das adições de 1 e 3 %at. de catalisador Ti na capacidade de absorção da liga. Além disso, foi avaliado como a exposição ao ambiente por longos períodos afetou a capacidade de absorção dos compósitos. Os compósitos em pó contendo 1 e 3 %at. de Ti apresentaram capacidade de absorção superior à 5,5 %p de H, que diminui para cerca de 4,5 %p de H após longos períodos de envelhecimento. Nas amostras de pó envelhecido não foi observado tempo de incubação, a saturação ocorre após 2,5 h e a temperatura de dessorção foi reduzida em 6% em comparação ao MgH2 comercialmente puro. Após a consolidação por CR, foi produzido um material maciço e poroso com textura ao longo do plano (002) do Mg. Ambas as características são altamente favoráveis ao processo de absorção de H. No entanto, o comportamento cinético das amostras laminadas foi bastante similar ao das amostras em pó, sendo verificada redução significativa (~14%) na temperatura de dessorção. O processamento por CR resultou em um pequeno aumento na capacidade de absorção de H para as amostras não envelhecidas contendo 1 %at. Ti. A consolidação dos pós envelhecidos por CR diminui a capacidade de armazenamento de H.