用于储氢的镁合金制造技术

一种制造储氢材料的方法，该方法包括步骤：形成具有达到５０重量％镍的镁－镍熔体；在非氧化气氛下向熔体中加入达到２重量％的细化元素，该细化元素具有为镁原子半径的１～１．６５倍范围内的原子半径，例如该细化元素选自包括Ｚｒ、Ｎａ、Ｋ、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｌａ、Ｙ、Ｙｂ、Ｒｂ以及Ｃｓ的组中的至少一种元素；以及固化该熔体以制造储氢材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种储氢材料，特别是涉及一种可用作储氢材料的铸 造合金。
技术介绍
由于世界人口的膨胀和经济活动的增加，甚至有增高的二氧化碳 的大气浓度正在使地球变暖而引起气候变化的增强信号。在世界上的 石油和矿物燃料能源最终耗尽而将不可避免地需要发现其它经济能 源的同时，更加显著的全球变暖的信号已增加了全球能源体系为舍弃 富含碳的燃料而承受的压力，因为富含碳的燃料的燃烧会产生一氧化 碳和二氧化碳气体。氢能正引起大量的兴趣并且预期最终代替基于石油的燃料。但 是，在氢用作实际燃料之前仍然存在必须克服的几个技术问题和障 碍，主要的障碍是可行的储氢系统的开发。虽然氬可作为压缩气体或 液体储存，但前者占据大体积，后者产生的能源消耗量大，降低任何 环境效益。另外，如果压力储存罐被破裂，气态和液态氢都是有潜在 危险的。储氢的更安全、更简洁的方法是将氢储存在固体材料内。当在较 低压力下渗入氢时，金属和金属间化合物能以安全、固体的形式吸收 大量的氢。当需要时，对合金简单加热，储存的氢可被释放。作为固 体氢化物储存的氢可提供大于压缩气体的重量百分比储存量。但是， 所需的储氢材料必须具有相对于材料重量的高储存容量、适合的解吸 附温度、良好的动力学、良好的可逆性以及较低的成本。纯镁具有7.6重量％的充足理论的氢承载能力。但是得到的氢化 物太稳定，而且为了释放氢温度必须升高到278°C。该解吸附温度使 得这些材料在经济上没有吸引力。较低的解吸附温度是所希望的，不 仅降低释放氢所需要的能量，而且使来自车辆废热能够有效利用以释放氢。相对于纯镁，化合物Mg2Ni具有3.6重量％的降低的储氢能力， 但是重要地是，释放氢需要的温度降低到低于纯镁所需的温度。认为 储氢的机理涉及显微结构的(固体)氢化物颗粒，即MgH2和Mg2NiH4 的形成。目前，已使用触变铸造技术和随后部分再熔化和淬火(Y.-J. Kim， T,W.Hong: Materials Transactions 43 (2002) 1741-1747)以制造Mg國Ni 合金，所述Mg-Ni合金由通过细化Mg-Mg2Ni共晶包围的富含镁的树 枝状晶体构成。这些合金吸收大量的氢，类似于纯镁，以及仅表现出 在压力-组成-温度(PCT)曲线中的单一氢吸收稳定段，即对于各相不分 开的稳定段。认为镍和/或Mg2Ni相起到催化剂的作用，通过MgH2 的形成而改善氢转移到富含4^的固体相内的动力学。该认识已促进使用纳米技术和粉末冶金技术的研究(参见S. Orimo和H. Fuji的评述，Applied Physics A 72(2001 )167-186)以制造具 有大的内界面面积的材料。这些技术引人注目，因为它们产生大的界 面面积并且它们形成了结晶缺陷如错位和孪晶，这样将把潜在的催化 剂分配到整个显微结构中，使得它们能够对反应的动力学具有广泛的 影响。遗憾地是，纳米级粉末冶金技术提供对相的晶体结枸(即界面、 孪晶等)的有限控制，但粉末是高度爆炸性的并且对于商业储氢部件的 大规模批量制造来说价格非常昂贵。至今没有研究报道过考虑采用更 适用于批量生产的低成本方法来制造较高性能的储氢部件的方法。本专利技术的目的是提供一种使用改进的储氢能力的可铸造的MgNi 合金。在说明书中引用的现有技术没有并且不应当作为这样一种情况 的确认或任何形式的暗示，即该现有技术形成在澳大利亚或任何管辖 权范围内的普通常识的部分。
技术实现思路
根据一个方面，本专利技术可提供一种制造储氢材料的方法，该方法 包括步骤形成具有至少一种细化元素添加物的镁-镍熔体，所述细化元素能够在镁-镍金属间相中促进具有增加的孪生的细化共晶组织，以 及固化镁-镍熔体成为具有所述细化共晶结构的储氢材料。在一优选实施方案中，镁-镍熔体通过下述步骤形成通过向镁熔 体中加入镍以制造大于0至达到50重量％镍的范围内的亚共晶镁-镍 合金，均质化该镁-镍熔体，在保护气氛下以大于0至2重量％、优选 大于0且小于500ppm的加入率向所述熔体中加入所述细化元素。细化元素优选具有为镁原子半径的1~1.65倍范围内的原子半 径。应当理解，具有该范围内的原子半径的细化元素将提供上述的细 化共晶结构。优选的细化元素为选自包括Zr、 Na、 K、 Ba、 Ca、 Sr、 La、 Y、 Yb、 Rb、 Cs以及稀土元素如Eu的组。锆加入是为了晶粒细 化镁晶体，并且当它使用时需要以上列举中的至少一种另外的元素。在另一方面，本专利技术可提供一种制造储氢材料的方法，该方法包 括下述步骤形成具有至少一种细化元素添加物的镁-镍熔体，所述细 化元素优选具有为镁原子半径的1 ~ 1.65倍范围内的原子半径，以大 于0至2重量％ 、并且优选小于500ppm的加入率在所述熔体中提供 细化元素，以及固化所述镁镍熔体。在这两个方面中的固化步骤优选为铸造步骤，其中金属通过适合 的过程被铸造，所述过程如注入到预热金属模具内编码铸造。固化步 骤可以是其它可控的固化方法。但是， 一旦合金已被铸造，然后它受 到活化作用，再用作储氢材料。该合金优选在铸造条件下被使用。在本专利技术的另一实施方案中，提供一种储氢合金，所述储氢合金 包括或基本上组成为大于O至达到50重量％的镍；大于0至达到2 重量％的细化元素，所述细化元素具有为^:原子半径的1 ~ 1.65倍范 围内的原子半径；以及余量的镁和附带的杂质。优选的细化添加物为选自包括Zr、 Na、 K、 Ba、 Ca、 Sr、 La、 Y、 Yb、 Rb、 Cs以及稀土元素的组，并且加入率为大于0至2重量％, 优选加入率为大于0且小于500ppm。更优选的添加元素为钠和4告。申请人已发现向亚共晶的和过共晶的MgNi体系中加入具有为4美 原子半径的约1~1.65倍范围内的原子半径的痕量元素，促进了在Mg2Ni金属间相中的孪生晶体缺陷。认为在Mg2Ni相中增加的精细化 和晶体缺陷催化了在合金的富含镁的固相中的氩化反应，因而增加了 合金摄取氢的能力并且增加了氢吸收的动力学。另外，因为该材料使用铸造固化方法制造，所以这更是商业上可 行的用于大规模批量生产储氢部件的方法。附图说明本专利技术的进一步的特征目的和优点通过下面的优选实施方案的 描述和附图将变得显而易见，其中图1是未改质的具有14 %镍的镁合金的压力组成温度图； 图2是总结实施例1 -6的在350°C和2MPa下的活化时间的图； 图3是实施例l-6的在350。C和2MPa下的PCT吸收数据图； 图4是实施例l-6的在300。C和2MPa下的PCT吸收数据图； 图5是实施例l-6的在250。C和2MPa下的PCT吸收数据图； 图6是总结在350。C和2Mpa下的PCT吸收能力的图； 图7是说明未改质的Mg 14Ni合金的吸收和解吸附之间的关系的图8是实施例l-6的在a2Mpa下解吸附数据图；以及 图9(a)-9(h)是实施例l-6的作为铸造合金的扫描电子显微镜(SEM) 显樣i照片。真体实施方式根据本专利技术，储氢材料通过向熔化镁中加入镍而形成镁-镍而制 成。镍的加入量可达到50重量％的镍，但优选的加入率提供10-20重量 %镍的合金熔体。然后熔体被混合以提供均质化混合物。向该镁-镍合金中加入晶体学改质材料的痕量元素。所加入的元素本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造储氢材料的方法，所述方法包括步骤：　　　　形成具有达到５０重量％镍的镁－镍熔体；　　　　在非氧化气氛下向熔体中加入达到２重量％的细化元素，所述细化元素具有为镁原子半径的１～１．６５倍范围内的原子半径；以及　　　　固化该熔体以制造储氢材料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿尔内克里斯蒂安达勒，野北和宏，
申请(专利权)人：昆士兰州大学，
类型：发明
国别省市：AU[澳大利亚]