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第5 9 卷第4 期 2007 年11 月 有色金属 N o . 3 f e r r o u .sM e a l s V 0 1 .5 9 ,N o .4 N o v e .m b e r2007 机械合金化法制备T i 基储氢合金的进展 马李洋,丁一毅,马立群 南京工业大学,南京2 1 0 0 0 9 ,’ 摘 要介绍机械合金化法T i 基储氢合金研究的进展,并展望其发晨趋势。机械合金化工艺设备简单、成本低、污染小、安 全性能好.完全符合高新技术研究和发展的思路。钛基储氢合金兼有吸放氢动力学和储氢量的优势.应用前景广阔。 关键词金属材料;储氢合金;综述;机械合金化;T i 基合金 中图分类号T G l 3 9 .7 ;T G l 4 6 .2 3文献标识码A文章编号1 0 0 1 一0 2 l l 2 0 0 7 0 4 0 0 7 3 0 5 能源是当今世界三大支柱之一,随着人类文明 的发展,化石能源日益不能满足高速发展的经济的 需要,因此新能源的开发、利用愈加迫在眉睫。在所 有新能源中,氢能清洁、高效、无污染,极有希望成为 未来二次能源的主体,2 1 世纪人类社会也因此被预 测将由石油时代进入氢能时代u j 。实际应用中大 致有常压储氢、高压容器储氢、液氢储氢、储氢合金 储氢和吸附储氢五种储氢方法,从重量储氢密度来 讲,以液氢储氢为最高,但从体积储氢密度、能耗、安 全性等因素综合考虑,储氢合金储氢则是目前最好 的储氢方法。 1 储氢合金及其制备方法7 , .某些金属或合金在一定的温度、压力条件下,能 够吸收氢气,反应生成金属或合金的氢化物,我们将 这类金属或合金称为储氢合金,它主要有A B 5 型、 A t h 型、A B 型和A 2 B 型四种基本类型,具体见表l 。 .表1主要储氢合金及其氢化物性质【2 j T a b l e1 P r o p e r t i e so fm a i nh y d r o g e ns t o r a g ea l l o ya n di t sh y d r i d e 类型合金氢化物 吸矧%焉黧亨’慧兰嚣 L a N i sL 硅N i ,H 6 .D1 .4 ’0 .4 5 0 一3 0 .1 A B ,L 矗N i I .6 A 1 0 ..L a N i A l o .‘地j 1 .3 .0 .2 8 0 一3 8 .1 C .e N i sC a N i s H ‘ 1 .2 0 .0 4 3 0 一3 3 .5 。T i l .2 M .n 1 .oT i l .2 M n l .s H 2 .4 7 1 .8 0 .7 2 0 一2 8 .5 A B 2 ‘ Z r M n z‘’Z r M n 2 H 3 .‘6 1 .7 0 .1 2 1 0 一3 8 .9 n F e T i F e H l .9 5I .81 .0 5 0 一2 3 .0 A B .T i F e 0 .8 M n 0 .2一T i F e o .8 M n o .2 H I .9 5 1 .9 1 .9 8 0 一3 1 .8 A 2 BM 9 2 N iM 9 2 N i l - h .o 3 .6 0 .1 2 5 3 一6 4 .4 一般而言,储氢合金应具备如下条件 1 易活 化、电催化活性高; 2 吸放氢速度快、平衡分解压适 中、滞后小; 3 安全、寿命长、无污染。当然,要使一 种储氢合金具备以上全部条件是不现实的,实际应 用中的储氢合金往往存在一些不足,见表2 ,需要研 究性能更优异的储氢合金,可以从如下方面着手解 决上述问题 1 用T i ,M n ,C u 等元素替代A 或B ; 2 在原组分的基础上添加其他组分,包括加入一些 收稿日期2 0 0 6 0 6 0 3 作者简介马李洋 1 9 8 2 一 。男,南京市人。硕士。主要从事金属材 料工程等方面的研究。 ’ 非金属元素 C ,N 等 和有机高分子 玻璃纤维等 ; 3 采用非化学计量的A B 5 。,A B 2 。,A B I 。, A 2 。】【B ; 4 进行制备方法和工艺的优化; 5 对合金 进行表面处理,改变合金有关动力学性质。 表2 各类A .B 合金的定性比较[ 3 】 T a b t e2C o m p 渤o fe a c hA - Bt y p eh y d m g e ns t o r a g e8 崎 万方数据 7 4 有色金属 第5 9 卷 储氢合金的制备方法很多,常用的主要有感应 熔炼法、还原扩散法.、共沉淀还原法、置换扩散法、燃 烧合成法㈨和机械合金化法法.5 - 6 】。近年来,机械 合金化法由于其独特的优点而得到广泛的研究,见 表3 。 表3 储氢合金制备方法的比较 T a b l e3 C o m p a r i s o no fp r e p a r a t i o n sm e t h o d so fh y d r o g e ns t o r a g ea l l o y 机械合金化 m e c h a n i c a la l l o y i n g ,缩写为M A 是2 0 世纪6 0 年代兴起的一种材料固态加工技术。 M A 就是将粉末按比例混合,在球磨机中长时间运 转,粉末在球磨介质的反复冲击下,承受冲击、剪切、 摩擦和压缩多种力的作用,经历反复的挤压、冷焊合 及粉碎,通过相互扩散或固态反应形成超细合金粉 末的过程。用M A 技术极易获得超细、均匀组织, 且整个过程在室温或低温下进行,制备的合金粉末 有更好的热稳定性。另外,该工艺设备简单、成本 低,所以M A 作为一种非晶、纳米晶的重要制备工 艺,越来越受到青睐。用M A 技术制备非晶、超饱 和固溶体及纳米晶的机理有以下几个方面【7J 。 1 非晶的形成。在M A 过程中} 一方面,溶质原子不 断进入溶剂中,另一方面,晶粒不断减小,内应力不 断增大。当溶质原子的固溶度超过临界值时,溶剂 晶格失稳崩溃,从而形成非晶。 2 超饱和固溶体的 形成。在M A 条件下,一方面,粉末发生塑性变形, 产生高密度缺陷,另一方面,晶粒的细化,增大了体 系的自由能,提高了原子扩散的驱动力,因而有利于 形成超饱和固溶体。 3 纳米晶的形成。.在M A 过 程初期,高密度位错先是杂乱无章地纠缠在一起,形 成“位错纠结”,随后集中在胞的周围区域,形成胞 壁。位错胞壁的移动,形成晶粒趋向较大的亚晶,亚 晶的进一步发展使晶粒细化,当晶粒细化到1 0 0 n m 以下时,就形成了纳米晶。 ’ 2 M A 法T i 基储氢合金的研究进展 在四种基本类型储氢合金中,稀土基及钙基储 氢合金 A B 5 型 易活化、不易中毒、平衡压力适中、 滞后小、吸放氢快,但储氢量相对较低且衰减快。镁 基储氢合金 A 2 B 型 储氢性能优越、成本低,但吸放 氢温度高、吸放氢动力学性能差。相对来说,钛基储 氢合金 A B 2 ’型中的T i 基L a v e s 相储氢合金和A B 型T i 基储氢合金 兼有吸放氢动力学和储氢量的优 势,如T i V 系B C C 相储氢合金的储氢量可达3 .5 % - - 4 .2 %旧- 9 J ,因此有着较好的开发前景。然而,活 化困难、抗中毒能力差等都是T i 基储氢合金亟待解 决的问题。近年来,M A 法是研究T i 基储氢合金重 要方法之一,研究涉及二元、三元、四元乃至更多元 T i 基储氢合金。 2 .1 、 元系 T i R e 系是A B 型储氢合金的典型代表,其优越 性在于合金在室温下能可逆的吸放大量的氢 理论 值为1 .8 6 % ,且氢化物分解压仅为几个大气压,很 接近工业使用,F e 和T i 两种元素在自然界含量丰 富,价格低廉,适合大规模应用,但其活化性能和抗 中毒性能较差u0 f 。L .Z a l u s k i 等研究了M A 法制备 的T i F e 系合金,认为球磨气氛中的氧含量是决定生 成非晶或无定形T i F e 的关键,氧含量低于3 %生成 非晶T i F e ,高于3 %则生成无定形T i F e [ “Ja 高岩等 通过M A 法研究指出,T i F e 在适当的球磨条件下, 发生由混合物●非晶一T i F e 金属间化合物的转变, 经适当热处理后,可获得不同晶粒尺寸的纳米晶 T i F e 相,T i F e 相最小晶粒尺寸约为1 3 n m [ 1 2 ] 。张二 林等通过M A 法研究T i 5 0 F e 5 0 合金后指出,球磨强 度低时,非晶形成的时间较长,强度高时,非晶形成 的时间较短,但在随后的球磨中会重新晶化成新 相[ 1 3 】。 . 一 近年来,T i N i 合金也得到了大量的研究。T i s 0 N i s o 合金在球磨0 .5 ~2 h 时的非晶化速度快,到球 万方数据 第4 期马李洋等机械合金化法制备T i 基储氢合金的进展7 5 磨后期速度减慢,经7 h 球磨后能完全非晶化。 N i T i l o o 一。在一定的搅拌式球磨条件下,在4 0 ≤z ≤6 0 的成分范围内能形成非晶合金。1 4 ] 。机械合金 化的T i 5 0 N i 5 0 和T i 6 5 N i 3 5 合金在2 9 8 K ,2 .9 M P a 氢压 下,储氢量分别为1 .1 %和2 .8 %H5 j 。肖平安等研 究T i 2 0 C r s o 和T i 3 0 C r 7 0 合金的M A 规律后指出,3 0 ~ 4 0 h 为最佳球磨时间,在整个M A 过程中,钛没有出 现非晶化,最后得到的晶粒尺寸可达2 0 n m [ 1 6 ] 。H . Y a b e 和T .K u j i 指出,M A 法制备的T i 8 0 C r 2 0 B C C 相 储氢合金在1 0 _ 4 M P a 条件下储氢量为2 %,并且在 5 .5 M P a 和3 1 3 K 条件下,最大储氢量可达 3 .4 %[ 17 I 。 2 .2 三元系 三元系、四元系或更多元系储氢合金的研究都 是建立在两元系基础之上的,具体研究中通常是往 二元系中添加或替换一种、两种或者更多种元素,以 期达到弥补不足、改善性能的目的。T i F e 系三元合 金的研究极为活跃。徐海鸥等在T i F e 合金中添加 了少量的I I A 族金属元素M g ,并且是T i 侧过化学 计量,形成T i l .2 F e z %M g 合金 z 1 ,3 ,5 ,结果 表明T i l .2 F e 3 t %M g 和T i l .2 F e 5 %M g 合金在 室温下,经两次吸放氢操作便可完全活化,前者的储 氢量为2 1 3 m g /L ,后者为1 9 3 m g /L ,且均具有较小 的压力滞后和平台斜率[ 1 8J 。任山等用5 %和1 5 % N i 取代部分F e ,M A 处理后形成晶粒尺寸分别为 1 2 n m 和6 n m 的纳米晶B 2 相,N i 使合成的B 2 结构 纳米晶T i F e 相的点阵畸变减小,合成的纳米晶相在 9 7 3 K 产生相分解,析出低温马氏体T i N i 相【l9 l 。 H .M i y a m u r a 等认为T i F e 2 合金中,金属V 的加入 有利于提高合金的储氢量,在3 3 3 K 条件下, T i F e V o .7 合金的储氢量为1 .09 6 【2 0 l 。另外,T a k a s a k i 等用M A 法成功制备了T i 4 5 Z r 3 8 N i l 7 储氢合金,在 5 7 3 K ,3 .8 M P a 条件下,该合金的储氢量达 2 。3 %L 2 1 f 。K e l t o n 采用M A 法对T i 基储氢合金进 行的研究结果表明,保持N i 含量不变,T i 含量的增 加有利于提高合金的储氢量,T i 6 1 Z r 2 2 N i l 7 储氢量可 达2 .8 %,而T i 4 0 H f 4 0 N i 2 0 储氢量只有。1 .1 7 %[ 2 引。 L o m n e s s 等对一系列T i M g - N i 合金机械合金化研 究后指出,球料比对球磨时间和储氢量均有影响,当 球料比由2 0 1 增大到4 0 1 ,球磨时间变短,但储氢 量基本保持不变。当球料比由4 0 1 增大到7 0 1 , 球磨时间大大缩短,储氢量大大增加 最大储氢量可 达1 1 .0 % 1 .2 3 j 。 T i - v 三元系储氢合金的研究也相当活 跃[ 2 4 - 2 6 ] 。在B C C 固容体T i 基储氢合金方面,已开 发了多种T i V 三元合金,其储氢量均可达2 %,减 少V 含量的T i .C r - X 储氢合金吸氢量可达3 %。另 外,在 v 0 .9 T i 0 .1 l 一。F e 中,X 从O 变化到0 .7 ,其氢 化物可以在1 个数量级内变化,而储氢量保持不变 2 .0 %左右 。., 2 .3 四元系及更多元系 在两元、三元系的基础之上,T i 基四元及更多 元合金也得到了广泛研究[ 2 7 - 2 8 l 。陈长聘等分别研 究了T i o .8 Z r o .2 M n 2 一。C r 。 z 0 .2 ,0 .4 ,0 .6 ,0 .8 , 1 .O 、T i 0 .9 Z r 。M n t .8 ~,C r y V o .2 z 0 .1 ,0 .1 5 和Y 0 .2 ,0 .4 和T i o .9 Z r o .2 M n l .8v o .2 合金的储氢性能。 结果表明,Z r 元素对A 侧T i 的部分置换和A 侧过 化学计量可显著提高合金的活化性能及储氢量。合 金的主相为C 1 4 型L a v e s 相,其储氢量随点阵常数 a ,c 和晶胞体积V 的增大而提高,当a ≥ 0 .4 8 9 4 咒仇,c ≥0 .8 0 4 0 n m ,或、, t o .1 6 6 8 n m 时,储 氢量可达到2 3 5 m L /g 以上[ 2 9 J 。Y u 等认为,T i v . C r .M n 中V 成分的增加有利于吸氢速度和吸氢量 的增大,其最大储氢量和有效储氢量分别可达 3 .9 8 %和2 .5 1 %[ 3 0 1 。L i 等指出,T i 0 .8 Z r o .2 V 2 .7 M n o .5 C r o .8 N i 。 z 1 .5 0 ,1 .7 5 ,2 .o o ,2 .2 5 几种合 金的主相均为C 1 4 型L a v e s 相,点阵常数a ,c 和晶 胞体积V 随N i 含量的增加略有减小,最大和最小 放电容量分别为3 2 7 .5 m A h g q X 1 .5 0 和 1 6 4 .5 m A h g 一1 z 2 .2 5 [ 3 l | 。 3结语 M A 技术在制备储氢材料方面已显示出其诱人 的前景,而且该工艺设备简单、成本低、污染小、安全 性能好,完全符合高新技术研究和发展的思路。然 而,该技术的应用时间较短,至今尚未形成一个令人 满意的理论模型,大部分的工艺尚处于研发阶段。 钛基储氢合金兼有吸放氢动力学和储氢量的优势, 应用前景广阔,但活化困难、抗中毒能力差等都是需 要解决的问题。因此,今后的工作主要是加大T i 基 储氢合金性能和球磨工艺条件之间规律的研究,进 一步优化工艺参数,加快实现其由实验研究向工业 生产的转变。 万方数据 7 6 有色金属 第5 9 卷 参考文献 [ 11 翟秀静,刘奎仁,韩庆.新能源技术[ M ] .北京化学工业出版社,2 0 0 5 . [ 2 ] 蓝亭.贮氢合金的种类及制取方法[ J ] .现代机械,2 0 0 4 , 4 6 3 6 5 . [ 3 ] 胡子龙.贮氢材料【M ] .北京化学工业出版社,2 0 0 2 . [ 4 ] A k i y a m aT ,I s o g a iH ,y a g iJ .H y d r i d i n gc o m b u s t i o ns y n t h e s i sf o rt h ep r o d u c t i o no fh y d r o g e ns t o r a g ea l l o y [ J ] .J o u r n a lo fA l l o y s C o m p o u n d s ,1 9 9 7 , 2 5 2 L 1 一L 4 . 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J o u r n a lo fN o n - c r y s t a l l i n eS o l i d s ,2 0 0 4 , 3 3 4 4 5 7 4 6 0 . 一 [ 2 2 ] A k i t oT a k a s a k i ,K e l t o nKF .H y d r o g e ns t o r a g ei nT i - b a s e dq u a s i c r y s t a lp o w d e r sp r o d u c e db ym e c h a n i c a la l l o y i n g [ J ] .I n t e r n s - t i o n a lJ o u r n a lo fH y d r o g e nE n e r g y ,2 0 0 6 , 3 1 1 8 3 1 9 0 . 。 [ 2 3 ] L o m n e s sJK ,H a m p t o nMD ,G i a n n u z z iLA .H y d r o g e nu p t a k ec h a r a c t e r i s t i c so fm e c h a n i c a l l ya l l o y e dm i x t u r e so fT i M g - N i [ J ] .I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fH y d r o g e nE n e r g y ,2 0 0 2 , 2 7 9 1 5 9 2 0 . .,, [ 2 4 ] Y uxB ,W uZ ,C h e nJZ ,e ta 1 .E f f e c to fC rc o n t e n to nh y d r o g e ns t o r a g ep r o p e r t i e sf o rT i - V - b a s e dB C ℃- p h a s ea l l o y s [ J ] .I 小 t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fH y d r o g e n ,2 0 0 4 , 2 9 1 3 7 7 1 3 8 1 . [ 2 5 ] S u n g - W o o kC h o ,C h a n g - s u c kH a n ,C h o o n g - N y e o nP a r k ,e ta 1 .T h eh y d r o g e ns t o r a g ec h a r a c t e r i s t i c so fT i C r - Va l l o y s [ J ] . J o u r n a lo fA l l o y sa n dC o m p o u n d s ,1 9 9 9 , 2 8 8 2 9 4 2 9 8 . [ 2 6 ] 陈立新,郑坊平,刘剑,等.球磨改性处理对T i 4 6 V 4 4 F e l 0 合金相结构和吸放氢性能的影响[ J ] .中国有色金属学报, 2 0 0 5 ,1 5 8 1 2 3 1 1 2 3 5 . [ 2 7 ] S u n g - W o o kC h o ,C h a n g - s u c kH a n ,E t s u oA k i b a ,e ta 1 .H y d r o g e ns t o r a g ec h a r a c t e r i s t i c so fT i - Z r - C r - Va l l o y s [ J ] .J o u r n a lo f A l l o y sa n dC o m p o u n d s ,1 9 9 9 , 2 8 9 2 4 4 2 5 0 . [ 2 8 ] K h r u s s a n o v aM ,G r i g o r o v aE ,M i t o vI ,e ta 1 .H y d r o g e ns o r p t i o np r o p e r t i e so fa nM g - T i - V F en a n o c o m p o s i t eo b t a i n e db ym e - c h a n i c a la l l o y i n gf j ] .J o u r n a lo fA l l o y sa n dC o m p o u n d s ,2 0 0 1 , 3 2 7 2 3 0 2 3 4 . [ 2 9 ] 陈长聘,耿伟贤,陈钧,等.T i Z r M n M M C r ,V 或c r 与V 合金的储氢性能和晶体结构[ J ] .稀有金属材料与工程, 2 0 0 1 ,3 0 1 3 1 3 4 . 万方数据 第4 期马李洋等机械合金化法制备T i 基储氢合金的进展 [ 3 0 ] Y uXB ,W uZ ,X i aBJ ,e l a 1 .E n h a n c e m e n to fh y d r o g e ns t o r a g ec a p a c i t yo fT i .V C r - M nB C Cp h a s ea l l o y s [ J ] .J o u r n a lo fA I l o y sa n d C o m p o u n d s ,2 0 0 4 , 3 7 2 2 7 2 2 7 7 . [ 3 1 ] R u iL i ,H n n g g eP a i l ,M i n g x i aG a o ,e ta I .S t r u c t u r a la n de l e c t r o c h e m i c a lp r o p e r t i e so fh y d r o g e ns t o r a g ea l l o y sT i o .s Z r 0 .2 V 2 .7 M n 0 .5 C r 0 .8 N i x x 1 .5 0 - - 2 .2 5 [ J ] .J o u r n a lo f A l l o y sa n d C o m p o u n d s ,2 0 0 4 , 3 7 3 2 2 3 2 3 0 . P r o g r e s so nT i - b a s e dH y d r o g e nS t o r a g eA l l o y sP r e p a r e db yM e c h a n i c a lA l l o y i n g M AL i y a n g ,D I N GY i ,M AL i - q u n N a n j i n gU n i z z r s i t yo fT e c h n o l o g y ,N a n j i n g2 1 0 0 0 9 ,C h i n a ,A b s t r a c t T h er e s e a r c hp r o g r e s so nT i b a s e dh y d r o g e ns t o r a g ea l l o y sp r e p a r e db ym e c h a n i c a la l l o y i n gi sr e v i e w e d 。a n d t h ed e v e l o p i n gt r e n d sa r ep r e d i c t e d .I nv i r t u eo fi t ss i m p l ee q u i p m e n t s ,g o o ds e c u r i t y ,l o wC O S ta n dp o l l u t i o n , t h em e c h a n i c a la l l o y i n gp r o c e s si sp e r f e c t l yc o n s o n a n tw i t ht h er o u tf o rh i g h t e c hr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t .T i b a s e dh y d r o g e ns t o r a g ea l l o y sw i l lr e a c hab r i g h ta p p l i c a t i o np r o s p e c td u et oi t ss u p e r i o r i t yi nh y d r o g e na b s o r p t i o nk i n e t i c sa n dc a p a c i t y . K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ;h y d r o g e ns t o r a g ea l l o y ;r e v i e w ;m e c h a n i c a la l l o y i n g ;T i b a s e da l l o y 钢结构 月刊 征订启事 邮发代号8 2 8 5 0单价8 元全年价9 6 元 钢结构由中国钢铁工业协会主管,创刊于1 9 8 6 年。是我国钢结构专业领域的综合性科技刊物,具有 导向性、新颖性、系统性和实用性。重点刊登钢结构领域中能代表我国发展水平的科研成果、学术论文、工程 设计、工程实录,内容兼顾理论和实践。适合于在钢结构领域从事科研、教学、设计、制造、安装、检测、防护、 维修等工作的科技人员、施工人员及大专院校的师生阅读。 钢结构为大1 6 开本,彩色胶版印刷,每月2 2 日出版,国内外公开发行。全国各地邮局均可订阅 邮发 代号8 2 8 5 0 。也可直接汇款到本编辑部订阅。 钢结构兼营广告,8 月开始征订下一年广告。全国双效期刊为您带来双赢的结果。 本刊地址北京市海淀区西土城路3 3 号;邮编1 0 0 0 8 8 ; E m a i l g j i g c h i n a j o u m a l .n e t .c n 联系电话0 1 0 8 2 2 2 7 2 3 9 兼传真 0 1 0 8 2 2 2 7 6 4 0 /8 0 2 2 /7 8 0 6 /7 1 9 1 /8 0 2 8 /7 2 3 8 /7 2 3 9 广告 0 1 0 8 2 2 2 7 2 3 7 /8 0 4 3 /8 9 2 7 编辑 8 2 2 2 7 2 3 6 发行 万方数据
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