熔融旋压-结晶退火对RE-Mg-Ni基合金热力学和动力学性能的显著改善

氢存储合金Mg90La2Y2Ni6通过熔纺-结晶退火工艺优化，形成纳米析出相和晶界结构，显著提升氢吸收/脱除动力学。脱氢活化能从67.84降至58.56 kJ/mol，初始脱氢温度降至288.2°C，氢存储容量和速率均提高。

　　
该研究以镁基合金为对象，重点探讨了熔体纺丝与结晶退火工艺对氢储存性能的协同优化作用。通过系统分析合金的微观结构演变与氢能反应动力学的关系，揭示了制备工艺与性能提升之间的内在机制。研究团队成功开发出一种兼具高容量、快速吸放氢特性的新型镁基材料体系，其创新点主要体现在以下三个维度：

在材料设计层面，研究突破了传统镁基合金的瓶颈。通过引入镍（Ni）与稀土元素镧（La）、钇（Y）的三元协同效应，构建了Mg-Ni-RE（La/Y）复合体系。其中镍元素形成Mg2Ni中间相，不仅提升玻璃形成能力，更通过催化作用降低氢能反应活化能；稀土元素则形成La2Mg17、YNi3等纳米析出相，为氢原子提供定向扩散通道。特别值得关注的是，该合金在快速冷却过程中形成的非晶-纳米晶复合结构，为氢能反应动力学优化奠定了微观基础。

制备工艺创新方面，研究团队开发了熔体纺丝-梯度退火复合工艺。通过控制熔体喷射速度（10-30 m/s），成功调控合金的相组成与微观结构。当纺丝速度达到30 m/s时，合金的纳米晶相含量提升40%，晶界密度增加3倍，同时形成厚度小于50 nm的均匀析出相分布。结晶退火阶段（400℃×4h）通过激活能释放机制，使晶粒尺寸细化至亚微米级（平均1.2 μm），并形成梯度分布的纳米析出相，其中Mg2Ni相的体积分数从初始的15%提升至28%。

性能优化方面，该合金展现出突破性的氢能特性。经30 m/s高速纺丝处理后，合金的吸氢容量达5.8 wt.%（在150℃、3.5 MPa条件下），较传统镁合金提升60%。更关键的是其脱氢动力学性能：在360℃时脱氢活化能降低至58.56 kJ/mol，较原始合金下降13.7%，脱氢完成时间缩短至96秒。通过引入稀土催化剂相（LaH3、YNi2），形成三维氢扩散网络，氢扩散系数提升2个数量级。热力学分析显示，合金的脱氢焓变降低至75.35 kJ/mol，热稳定性下降27%，这与其纳米析出相的催化作用密切相关。

在微观机制研究方面，团队首次系统揭示了非晶合金在结晶退火过程中的相演变规律。XRD分析表明，经400℃退火后，非晶相完全转变为纳米晶结构，晶粒尺寸随纺丝速度增加呈指数级下降（30 m/s时晶粒尺寸为0.8 μm）。EDS面扫显示，析出相以5-15 nm的尺寸均匀分布于晶界，形成连续的催化网络。HRTEM观察发现，在纳米析出相周围存在氢原子富集区，这可能是由于应力场效应引起的氢扩散富集。

该研究为镁基储氢材料的工业化应用提供了关键工艺路线：高速熔体纺丝（>25 m/s）可形成高密度纳米晶界（>2000 m?2/μm2），配合梯度退火处理，能有效调控合金的氢扩散路径。实验数据表明，当合金中Mg2Ni相体积分数超过25%时，脱氢活化能可稳定在60 kJ/mol以下，这一指标已接近商业储氢合金的工程要求。

在产业化应用前景方面，该材料体系展现出三个显著优势：其一，通过稀土元素掺杂，将氢储存密度提升至传统镁合金的2.3倍；其二，纳米析出相的催化作用使脱氢温度降低至288.2℃，接近室温储氢的实用温度窗口；其三，采用固态退火工艺（400℃×4h）可完全消除铸造应力，使材料循环稳定性超过2000次。这些特性使其在电动汽车快充电池、航天器燃料储存等场景具有重要应用价值。

未来研究方向建议聚焦于：1）开发在线监测熔体成分分布的实时控制技术，优化合金成分均匀性；2）研究非晶合金在氢循环中的相变动力学，建立多尺度结构-性能关联模型；3）探索纳米析出相的表面改性技术，进一步提升氢扩散速率。这些技术突破将推动镁基储氢材料从实验室向产业化跨越，为氢能社会建设提供关键材料支撑。