一种Ti-Zr基轻质量高容量吸氢材料及其制备和使用方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种Ti-Zr基轻质量高容量吸氢材料及其制备和使用方法，其最低可 在300~400°C活化，工作温度为室温到400°C，低氢平衡压下吸氢容量高，吸氢速率快。该 材料适用于中高温太阳能真空管、氢气净化等多个领域，可替代真空管内常用的Zr-Co-Re、 Zr-V-Fe、钡基和锶基吸氢材料。
【背景技术】
[0002] 太阳能光热利用己得到广泛普及，近年来，随着建筑节能、太阳能热发电等中高温 太阳能光热技术发展的需要，对真空集热管的集热效率提出了越来越高的要求。而中高温 太阳能真空集热管的工作温度高达200_400°C，在此温度下，集热管内的传热介质将在管内 金属催化剂的作用下裂解产生氢气，并很容易借助渗透作用进入集热管的真空夹层。氢气 含量对真空集热管集热效率的影响极大，其良好的导热性将造成大量的热损失。为减少热 损失，提高集热效率，需要在真空集热管的真空夹层中放入一定量的吸氢材料以降低其中 的氢分压，提高管内真空度。
[0003] 目前，常用的真空吸氢材料有 Zr-Co-RE (EP0869195)、Zr-V-Fe (US4312669)、 Zr-Ni-V-Fe (ZL96106343. 2)等。在真空集热管中放入上述合金中的一种，能吸附真空集热 管工作中产生和渗透的氢，起到较好的隔热的效果。但上述合金吸氢速率和容量均较低，且 需要450°C以上高温才能活化，难以满足中高温太阳能真空集热管的要求，因此，迫切需要 一种活化温度低、吸氢容量高、吸氢速率快的吸氢材料，以满足太阳能中高温热利用真空管 的高真空需求。
[0004] 另外，吸氢合金还可以用于提纯和回收氢气，它可将氢气提纯到很高的纯度。例 如，采用吸氢合金，可以以很低的成本获得纯度高于99. 9999%的超纯氢。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为了提供一种具有更高的吸氢容量和速率，可在更低温度 (300~400°C )下活化的Ti-Zr基吸氢材料，且其制造工艺简单，易掌握。
[0006] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
[0007] -种Ti-Zr基轻质量高容量吸氢材料，包含钛、锆、其它过渡金属和稀土金属，所 述的其它过渡金属为V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Mo中的一种或两种以上的混合物，所述的稀 土金属为La、Ce和Pr中的一种或两种以上的混合物，其中，钛为35. 0~65. 0重量份，锆为 25. 0~45. 0重量份，其它过渡金属为5. 0~19. 0重量份，稀土金属为2. 5~5. 0重量份。
[0008] 优选Zr含量不低于35重量份，其它过渡金属和稀土金属的总含量12~20重量 份。
[0009] 本发明的另一目的是提供一种上述Ti-Zr基轻质量高容量吸氢材料的制备方法。
[0010] 上述吸氢材料的制备方法，包括如下步骤：
[0011] (1)备料：按照合金成分分别称量纯金属钛、锆、其它过渡金属或合金、稀土金属或 合金，将上述原材料洁净处理后，进行烘烤除气；
[0012] (2)熔炼：采用真空电弧炉或真空中频感应炉熔炼；
[0013] (3)浇注：采用真空吸铸的方法浇注或采用水冷模浇注，快速凝固得到铸锭；
[0014] (4)铸锭在氩气气氛保护下破碎、球磨，或采用氢化脱氢制粉，筛选得到小于100 目~大于400目的颗粒粉末。
[0015] 步骤（2)中，熔炼温度为2000~2200°C，合金完全熔化后，再精炼10~30分钟。
[0016] 步骤（4)中，浇注温度为1950~2120°C。
[0017] 本发明的再一目的是提供一种上述Ti-Zr基轻质量高容量吸氢材料的使用方法。
[0018] 上述Ti-Zr基轻质量高容量吸氢材料的使用方法，吸氢材料在真空条件下加热至 300~400°C，活化30~60分钟，之后在工作温度进行吸氢，所述的工作温度为室温（25°C ) 到 400。。。
[0019] 本发明的优点：
[0020] 1、本发明的材料制备工艺简单。可采用真空电弧炉及真空中频感应炉熔炼，可采 用真空吸铸的方法浇注或浇注于水冷模中实现快速凝固。铸锭在氩气气氛保护下破碎、球 磨，取小于100~大于400目的颗粒粉末。
[0021] 2、本发明的材料使用方法简单。吸氢材料在真空条件下加热至300~400°C，活化 60分钟，之后冷却到工作温度进行吸氢，所述的工作温度为室温到400°C。
[0022] 3、本发明的材料工作性能优异。活化温度低，比通常的钛基、锆基合金活化温度低 KKTC以上；吸氢容量大，一标准大气压下最高贮氢容量达3. Owt. %以上；吸氢速率快，本 发明的材料300°C的吸氢速率大于4000mV(s · g)，室温吸氢速率大于2000mV(s · g)，是 Zr-V-Fe、Zr-Y-Fe合金的2倍以上。
[0023] 4、本发明的材料应用范围广泛。本发明的产品有颗粒粉末、片和压制在金属镍带 上的带和环，适用于中高温太阳能真空管、氢气净化等多个领域。
[0024] 总之，本发明的吸氢材料具有制造工艺简单、活化温度低、吸氢平衡压低、吸氢容 量大和吸氢速率快等显著优点。
【附图说明】
[0025] 图1为Ti-Zr基轻质量高容量吸氢材料的成分范围（点a -b -c -d -e -f -a 所围成的区域）。
[0026] 图2为Ti-Zr基轻质量高容量吸氢材料吸氢动力学性能及与Zr-V-Fe、Zr-Y-Fe合 金的比较。
[0027] 图 3 为 Ti-35Wt. %Zr_2wt. %Cr_2wt. %Fe_8wt. %V_3wt. %Ce 合金吸氢动力学性能曲 线(实施例1)。
[0028] 图4为Ti_25wt. %Zr_4wt. %Cr_14wt. %V_5wt. %Ce合金吸氢动力学性能曲线（实施 例2)。
[0029] 图 5 为 Ti_42wt. %Zr_4wt. %C〇-4. 2wt· %M〇-l2wt. %V_2· 8wt· %Ce 合金吸氢动力学性 能曲线(实施例3)。
[0030] 图 6 为 Ti_45wt. %Zr_5wt. %Cr_lwt· %Mn_10wt. %V_2wt. %Ce_2wt. %Pr 合金吸氢动力 学性能曲线(实施例4)。
[0031] 图7为Ti-45wt. %Zr-4. 9wt. %V-2. 6wt. %La合金吸氢动力学性能曲线（实施例5)。
[0032] 图8为Ti-27. 5wt. %Zr_4. 9wt. %V-2. 6wt. %Ce合金吸氢动力学性能曲线（实施例 6)。
[0033] 图 9 为 Ti_25wt. %Zr_7. 4wt. %V-1. 3wt. %La_l. 3wt. %Ce 合金吸氢动力学性能曲线 (实施例7)。
【具体实施方式】
[0034] 本发明的Ti-Zr基轻质量高容量吸氢材料，其包含钛、锆、其它过渡金属和稀土金 属，其它过渡金属为V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Mo中的一种或其两种或两种以上按任意比例 形成的混合物，稀土金属为单一的Ce、La、Pr等或Ce、La、Pr等按任意比例的混合物，它们的 含量是：钛为35. 0~65. 0重量份，锆为25. 0~45. 0重量份，其它过渡金属为5. 0~19. 0 重量份，稀土金属为2. 5~5. 0重量份，见图1中a - b - c - d - e - f - a所围成的内 区域。
[0035] 除Ti、Zr外，其它过渡金属和稀土金属的总含量为7. 5~23. 0重量份，见图I中 M，wt. % (M) =wt. % (其它过渡金属）+wt. % (稀土金属）。优选Zr含量不低于35重量份，其它 过渡金属和稀土金属的总含量12~20重量份。
[0036] 本发明的吸氢材料的制造工艺：按照合金成分分别称量纯金属钛、锆、过渡金属或 过渡金属合金、稀土金属或稀土金属合金，将上述原材料除油、去脂、洗涤洁净后置于坩埚 中烘烤除气一小时以上，采用真空电弧炉及真空中频感应炉熔炼，采用真空吸铸的方法浇 注或浇注于水冷模中实现快速凝固。铸锭在氩气气氛保护下破碎、球磨，或采用氢化脱氢制 粉，取小于100目大于400目的颗粒粉末。
[0037] 本发明的Ti-Zr基轻质量高