Водневе матеріалознавство — міждисциплінарний напрям матеріалознавства, що вивчає взаємодію водню з металами, сплавами, керамікою та іншими конструкційними матеріалами, а також вплив водню на їх фізико-механічні та експлуатаційні властивості.
Водневе матеріалознавство охоплює дослідження процесів дифузії водню, водневої крихкості, деградації конструкційних матеріалів, впливу водню на процеси тертя і зношування, а також створення матеріалів для водневої енергетики, паливних елементів і систем зберігання водню.
Основні напрями досліджень
Сучасне водневе матеріалознавство охоплює такі напрями досліджень:
механізми проникнення та дифузії водню в матеріалах; водневу крихкість металів і сплавів; вплив водню на втому та тріщиностійкість матеріалів; трибологічні процеси у водневих середовищах; розроблення воднестійких конструкційних матеріалів; матеріали для паливних елементів та електролізерів; матеріали для акумулювання та зберігання водню; наноструктуровані та композиційні матеріали для водневих технологій.
Історія розвитку
Дослідження впливу водню на властивості металів розпочалися у XIX столітті. У XX столітті були сформовані основні уявлення про механізми водневої крихкості та дифузії водню у металах. Сучасний розвиток водневого матеріалознавства пов’язаний із використанням водню в енергетиці, транспорті та хімічній промисловості.
Основи взаємодії водню з матеріалами
Водень характеризується високою рухливістю у багатьох металах і здатний дифундувати у кристалічну ґратку, концентруючись у дефектах структури — дислокаціях, межах зерен, порах та мікротріщинах.
Джерела водню
Основними джерелами проникнення водню в матеріали є газоподібний водень, електролітичне наводнювання, корозійні процеси та експлуатація у водневмісних середовищах.
Газоподібний водень
За підвищених температур і тисків молекулярний водень дисоціює на поверхні металу з утворенням атомарного водню, який здатний проникати у матеріал.
Електролітичне наводнювання
Електролітичне наводнювання є поширеним методом лабораторного введення водню у метали та сплави для дослідження процесів водневої деградації.
Водень у корозійних та експлуатаційних середовищах
Під час корозії атомарний водень утворюється внаслідок електрохімічних реакцій і може проникати у метал, викликаючи деградаційні процеси.
Воднева деградація матеріалів
Водень може спричиняти зниження пластичності, міцності та довговічності матеріалів. Такі процеси відомі під загальною назвою «воднева деградація». Найбільш поширеним проявом є воднева крихкість.
Трибологічні аспекти
У трибологічних системах водень може суттєво впливати на процеси тертя, контактної втоми та зношування металевих матеріалів. Проникнення водню у приповерхневі шари металу сприяє локалізації пластичної деформації, зародженню мікротріщин і зміні механізмів руйнування під час ковзання та кочення. Встановлено, що наводнювання здатне змінювати морфологію продуктів зношування, знижувати зносостійкість та прискорювати розвиток контактного руйнування у високоазотних сталях та інших конструкційних сплавах.
Застосування
Водневе матеріалознавство має важливе значення для розвитку водневої енергетики, газотранспортних систем, атомної енергетики, авіакосмічної техніки та транспортного машинобудування.
Див. також
Воднева крихкість Воднева деградація сталей Воднева енергетика Матеріалознавство
Література
Посилання
Відділ «Водневе матеріалознавство і вуглецеві наноструктури» Воднева деградація сталей