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1、contents4一、貯氫材料概述1235二、貯氫合金的基本原理三、貯氫合金的評(píng)價(jià)四、貯氫材料分類五、稀土貯氫材料的制備6六、稀土貯氫合金的應(yīng)用稀土儲(chǔ)氫材料的應(yīng)用和發(fā)展稀土儲(chǔ)氫材料的主要應(yīng)用稀土儲(chǔ)氫材料應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)中的冶金、石油化工、光學(xué)、磁學(xué)、電子、生物醫(yī)療和原子能工業(yè)的各大領(lǐng)域的30多個(gè)行業(yè),但主要應(yīng)用領(lǐng)域是高性能充電電池—鎳氫電池。(四)儲(chǔ)氫材料的種類根據(jù)合金的成分可以分為:①稀土系合金②鎂系合金③鈦系合金④鋯系合金①稀土系合金人們很早就發(fā)現(xiàn),稀土金屬與氫氣反應(yīng)生成稀土氫化物REH2,這種氫化物加熱到1000℃以上才
2、會(huì)分解。而在稀土金屬中加入某些第二種金屬形成合金后,在較低溫度下也可吸放氫氣,通常將這種合金稱為稀土貯氫合金。在已開發(fā)的一系列貯氫材料中,稀土系貯氫材料性能最佳,應(yīng)用也最為廣泛。稀土系貯氫材料的應(yīng)用領(lǐng)域已擴(kuò)大到能源、化工、電子、宇航、軍事及民用各個(gè)方面。例如,用于化學(xué)蓄熱和化學(xué)熱泵的稀土貯氫合金可以將工廠的廢熱等低質(zhì)熱能回收、升溫,從而開辟出了人類有效利用各種能源的新途徑。利用稀土貯氫材料釋放氫氣時(shí)產(chǎn)生的壓力,可以用作熱驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力;采用稀土貯氫合金可以實(shí)現(xiàn)體積小、重量輕、輸出功率大,可用于制動(dòng)器升降裝置和溫度傳感器。典型的貯
3、氫合金LaNi5是1969年荷蘭菲利浦公司發(fā)現(xiàn)的,從而引發(fā)了人們對(duì)稀土系儲(chǔ)氫材料的研究。以LaNi5為代表的稀土儲(chǔ)氫合金被認(rèn)為是所有儲(chǔ)氫合金中應(yīng)用性能最好的一類。優(yōu)點(diǎn):初期氫化容易,反應(yīng)速度快,吸-放氫性能優(yōu)良。20℃時(shí)氫分解壓僅幾個(gè)大氣壓。缺點(diǎn):鑭價(jià)格高,循環(huán)退化嚴(yán)重,易粉化。采用混合稀土(La,Ce,Sm)Mm替代La可有效降低成本,但氫分解壓升高,滯后壓差大,給使用帶來困難。采用第三組分元素M(Al,Cu,F(xiàn)e,Mn,Ga,In,Sn,B,Pt,Pd,Co,Cr,Ag,Ir)替代部分Ni是改善LaNi5和MmNi5儲(chǔ)氫
4、性能的重要方法。Zr(Mn,Ti,F(xiàn)e)2和Zr(Mn,Co,Al)2合金適合于作熱泵材料。Ti17Zr16Ni39V22Cr7已成功用于鎳氫電池,有寬廣的元素替代容限,設(shè)計(jì)不同的合金成分用來滿足高容量,高放電率,長壽命,低成本不同的要求。四面體間隙八面體間隙NiLaHr4=0.225Rr8=0.414RAB5型-LaNi5CaCu5五、稀土貯氫材料制備1.感應(yīng)熔煉法2.機(jī)械合金化(MA,MG)法3.還原擴(kuò)散法4.共沉淀還原法5.置換擴(kuò)散法6.燃燒合成法各種制備方法比較1.感應(yīng)熔煉法目前工業(yè)上最常用的是高頻電磁感應(yīng)熔煉法。熔
5、煉規(guī)模從幾公斤至幾噸不等。缺點(diǎn)是耗電量大、合金組織難控制。1.1感應(yīng)電爐的基本電路1.2感應(yīng)電爐的工作原理(1)交變電流產(chǎn)生交變磁場當(dāng)交變頻率的電流通過坩堝外側(cè)的螺旋形水冷線圈時(shí),在線圈所包圍的空間和四周就就產(chǎn)生了磁場,磁場的極性和強(qiáng)度隨交變電流的頻率而變化。交變磁場的磁力線一部分穿透金屬爐料,還有一部分穿透坩堝材料。(2)交變磁場產(chǎn)生感應(yīng)電流一部分磁力線穿透坩堝內(nèi)的金屬爐料,磁力線被金屬爐料所切割,產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),形成感應(yīng)電流。(3)感應(yīng)電流轉(zhuǎn)化為熱能金屬爐料內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電流在流動(dòng)過程中克服一定的阻力,從而由電能轉(zhuǎn)化為熱能
6、,使金屬爐料加熱并熔化。感應(yīng)電流的分布特性:(1)集膚效應(yīng):交變電流通過導(dǎo)體時(shí),電流密度由表面向中心依次減弱,即電流有趨于導(dǎo)體表面的現(xiàn)象,稱為電流的集膚效應(yīng)。(2)坩堝容量和電流頻率的關(guān)系頻率高的電源選小尺寸的爐料,低頻的電源選大尺寸爐料。(3)坩堝內(nèi)熔體溫度的分布中溫區(qū)低溫區(qū)高溫區(qū)中溫區(qū)低溫區(qū)1.3感應(yīng)熔煉用坩堝坩堝是感應(yīng)熔煉的重要組成部分,用于裝料冶煉,并起絕熱、絕緣和傳遞能量的作用。坩堝堿性坩堝酸性坩堝中性坩堝CaO,MgO,ZrO2,BeO和ThO2SiO2Al2O3,MgO·Al2O3,ZrO2·SiO21.4貯氫
7、合金常用原材料目前常用的幾種A-B型貯氫合金,一般純度要求在99.9%以上。1.5合金熔煉技術(shù)高頻感應(yīng)爐,MgO坩堝0.2%MgAl2O3坩堝0.18%AlZrO2坩堝0.05%Zr制取合金熔煉裝置熱處理裝置粉碎裝置性能測(cè)定裝置2.機(jī)械合金化(MA,MG)法機(jī)械合金化一般在高能球磨機(jī)中進(jìn)行。在合金化過程中,為了防止新生的原子面發(fā)生氧化,需在保護(hù)性氣氛中進(jìn)行。這種方法與傳統(tǒng)方法顯著不同,它不用任何加熱手段,只是利用機(jī)械能,在遠(yuǎn)低于材料熔點(diǎn)的溫度下由固相反應(yīng)制取合金。特點(diǎn):1)可制取熔點(diǎn)或密度相差較大的金屬的合金。e.g.Mg-
8、Ni:Mg:651℃,Ni:1455℃熔點(diǎn)和相對(duì)密度相差如此之大的2種金屬是很難用常規(guī)的高溫熔煉法制備的,而機(jī)械合金化在常溫下進(jìn)行,不受熔點(diǎn)和相對(duì)密度的限制。2)機(jī)械合金化生成亞穩(wěn)相和非晶相。3)生成超微細(xì)組織(微晶、納米晶)4)產(chǎn)生大量的新鮮表面及晶格缺陷,從而增強(qiáng)其吸放氫過程中的反應(yīng),