采用特殊元素?fù)诫s的Nb基氫透過合金及制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供一種采用特殊元素?fù)诫s的Nb基氫透過合金及制備方法，其化學(xué)通式為Nb

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
采用特殊元素?fù)诫s的Nb基氫透過合金及制備方法
本專利技術(shù)涉及合金材料
，特別是涉及到一種采用特殊元素?fù)诫s的Nb基氫透過合金及制備方法。
技術(shù)介紹
氫能具有高效、清潔、可再生、儲量豐富、來源廣泛、能量密度高等優(yōu)點，在半導(dǎo)體、精細化工、航空航天、燃料電池等諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，是一種理想的二次能源，成為21世紀(jì)舉足輕重的新能源體系，世界上很多國家都在積極開發(fā)氫能，將發(fā)展氫能經(jīng)濟作為長期目標(biāo)。氫氣的來源渠道十分多樣，除了電解水制氫之外，提取工業(yè)副產(chǎn)品(如氯堿、合成氨、焦?fàn)t煤氣等)中的氫氣也是獲取氫的有效途徑之一；通常工業(yè)上尤其是尖端工業(yè)領(lǐng)域所用到的是經(jīng)過分離提純后的高純氫氣。氫氣分離技術(shù)決定了獲得的氫氣是否符合工業(yè)化應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，是高純氫氣制備技術(shù)中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，引起眾多研究者的興趣，這也促進了氫分離技術(shù)的發(fā)展。與變壓吸附、深冷分離兩種常用氫分離技術(shù)相比，金屬膜氫分離材料由于具有較高的滲透率和較高的擴散系數(shù)、良好的高溫?zé)岱€(wěn)定性和機械性能、優(yōu)良的韌性和氫選擇性而具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，鈀及鈀合金(如Pd-Ag合金)因?qū)錃饩哂懈叩倪x擇滲透性、良好的熱穩(wěn)定性、機械穩(wěn)定性和催化活性，在氫分離領(lǐng)域中得到了廣泛的研究和應(yīng)用。然而，鈀資源十分稀缺、價格昂貴，亟待開發(fā)廉價、高滲氫性能的無鈀或少鈀的新型氫分離金屬膜材料。研究發(fā)現(xiàn)，5B族金屬(Nb、V、Ta)具有比鈀更高的氫滲透系數(shù)，而成本卻比鈀合金低很多，是很有發(fā)展前景的氫分離膜材料，然而這些純金屬在滲氫過程中引起的氫脆非常嚴(yán)重，無法應(yīng)用于實際生產(chǎn)中；合金化是解決氫脆危害的有效途徑。國內(nèi)外學(xué)者近年來主要圍繞Nb、V、Ta等5B族金屬開發(fā)多元晶態(tài)合金體系，以期制備出既有良好的氫滲透性能，又能有效抵抗氫脆發(fā)生的多元氫透過合金膜材料。如Nb-Ni-Ti系合金具有雙相結(jié)構(gòu)，由初生相bcc-Nb(Ti,Ni)固溶體(Primaryphase)和共晶相{Nb(Ti,Ni)+TiNi}(Eutecticphase)構(gòu)成，具有較高的氫滲透系數(shù)和抗氫脆性能。bcc初生相Nb(Ti,Ni)固溶體在滲氫過程中主要起滲氫作用，但會發(fā)生氫脆；而共晶相{Nb(Ti,Ni)+TiNi}及其間的化合物相可以有效提高其抗氫脆性。研究表明，加入特殊元素有助于改善氫透過合金的滲氫和抗氫脆性能，降低原料氣中H2S、CO等雜質(zhì)氣體的毒化作用，提高合金的使用壽命。目前，氫透過合金尚需要進一步提高其氫滲透和抗氫脆性能。為此我們專利技術(shù)了一種新的采用特殊元素?fù)诫s的Nb基氫透過合金及制備方法，工藝簡單、性能可靠。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的之一是提供一種具有高氫滲透性、高抗氫脆性的、特殊元素?fù)诫s的晶態(tài)氫透過合金的采用特殊元素?fù)诫s的Nb基氫透過合金；目的之二是提供該Nb基氫透過合金的制備方法。本專利技術(shù)的目的之一可通過如下技術(shù)措施來實現(xiàn)：采用特殊元素?fù)诫s的Nb基氫透過合金，該采用特殊元素?fù)诫s的Nb基氫透過合金的化學(xué)通式為Nb100-(x+y+z)MxNyPz；其中，M為Ti、Zr和Hf中的1種或者1種以上的元素，N為Ni或者Co中的1種或者1種以上的元素；P為Cr、Fe、Cu、Al、Mo、Ru、Rh、W、Si、Mn、Sn、Zn和Mg中的1種或者1種以上的元素，20≤x≤30、10≤y≤30、5≤z≤20，x,y,z均為摩爾百分?jǐn)?shù)。本專利技術(shù)的目的之一還可通過如下技術(shù)措施來實現(xiàn)：該采用特殊元素?fù)诫s的Nb基氫透過合金的最大滲氫系數(shù)為(4.7～5.2)×10-8mol·H2·m-1·s-1·Pa-0.5，滲氫控制溫度為523～673K，并具有抗氫脆性能。本專利技術(shù)的目的之二可通過如下技術(shù)措施來實現(xiàn)：采用特殊元素?fù)诫s的Nb基氫透過合金的制備方法，該制備方法包括：步驟1，切割原材料，并清理原材料表面：切割原材料時，用電火花線切割儀器切割塊狀原材料，使之形成顆粒狀，便于混合均勻，方便熔煉；清理原材料表面時，將顆粒狀原料先后在王水、去離子水以及丙酮溶液中進行清洗，以除去原材料表面的氧化膜；步驟2，計算原料成分，并根據(jù)化學(xué)配比進行原料稱量：計算原料成分時，根據(jù)實驗所需要的合金原子比計算試樣中各組分的質(zhì)量百分比，用質(zhì)量比乘以所煉鑄錠質(zhì)量得到各組分的稱量質(zhì)量；進行原料稱量時，使用精度為萬分之一的電子天平稱取原材料后混合均勻；步驟3，進行電弧熔煉，將混合均勻的原料裝入銅坩堝中，先熔煉純鈦錠吸收殘余氧氣，再熔煉樣品：在氬氣保護下進行電弧熔煉，采用水冷銅坩堝冷卻，真空度為4.7～5.7×10-3Pa，最大熔煉電流1200A，引弧方式為高頻引弧，熔煉坩堝冷卻方式為水套冷卻，制成的鈕扣錠樣品重量為20～25g；為了提高純度和使合金鑄錠的成分、組織均勻，一個合金樣品的熔煉過程至少重復(fù)12次，每次重復(fù)時要將鑄錠翻轉(zhuǎn)；本專利技術(shù)的目的之二還可通過如下技術(shù)措施來實現(xiàn)：所述的制備方法還包括，在步驟3之后，用電弧熔煉法制備出合金母錠后，用線切割儀切出薄片狀樣品，合金膜厚度為0.79～0.82mm；用砂紙打磨并經(jīng)過0.5μm的氧化鋁顆粒拋光成鏡面后，樣品兩個表面磁控濺射上180～200nm厚度的純鈀薄膜，測試鍍鈀后合金膜在不同溫度下的滲氫性能。本專利技術(shù)中的采用特殊元素?fù)诫s的Nb基氫透過合金，利用真空電弧熔煉法制備，所采用的原材料純度均大于99.9％。在氬氣保護下進行電弧熔煉，采用水冷銅坩堝冷卻，真空度為(4.7～5.7)×10-3Pa，最大熔煉電流1200A，引弧方式為高頻引弧，熔煉坩堝冷卻方式為水套冷卻(磁攪拌)，制成的鈕扣錠樣品重量在25g左右。為了提高純度和使合金鑄錠的成分、組織均勻，通常一個合金樣品的熔煉過程至少重復(fù)12次，每次重復(fù)時要將鑄錠翻轉(zhuǎn)。對于含有某些難熔金屬的樣品，熔煉過程重復(fù)15次。爐子里放一個純鈦錠，每次熔煉合金錠前要先熔煉純鈦錠，以便吸收爐子里面少量的殘余氧氣，保持高真空狀態(tài)。本專利技術(shù)利用真空電弧熔煉法制備出了添加各種特殊元素的具有較好滲氫和抗氫脆性能的氫透過合金膜材料殊元素的合金。附圖說明圖1為本專利技術(shù)的采用特殊元素?fù)诫s的Nb基氫透過合金的制備方法的一具體實施例的流程圖。具體實施方式為使本專利技術(shù)的上述和其他目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下面結(jié)合具體實施例對本專利技術(shù)作進一步詳細說明。以下實施例所涉及的配方是非限定性實施方式，只是用于具體說明本專利技術(shù)，本領(lǐng)域的技術(shù)人員完全可以根據(jù)本專利技術(shù)的思路和選料配比篩選出的配方均為本專利技術(shù)的保護范圍。如圖1所示，圖1為本專利技術(shù)的采用特殊元素?fù)诫s的Nb基氫透過合金的制備方法的流程圖。步驟101，切割原材料：用電火花線切割儀器切割塊狀原材料，使之形成顆粒狀，便于混合均勻，方便熔煉。步驟102，原材料表面清理：將顆粒狀原料先后在王水、去離子水以及丙酮溶液中進行清洗，以除去原材料表面的氧化膜。步驟103，原料成分計算：根據(jù)實驗所需要的合金原子比計算試樣中各組分的質(zhì)量百分比，用質(zhì)量比乘以所煉鑄錠質(zhì)量得到各組分的稱量質(zhì)量。步驟104，稱量：使用精度為萬分之一的電子天平稱取原材料后混合均勻。步驟105，電弧熔煉：將混合均勻的原料裝入銅坩堝中，先熔煉純鈦錠吸收殘余氧氣，再熔煉樣品。步驟106，用電弧熔煉法制備出合金母錠后，用線切割儀切出薄片狀樣品。合金膜做氫滲透實驗時，其厚度一般為0.8mm；用不同顆粒度的砂紙打磨并經(jīng)過0.5μm的氧化鋁顆粒本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
采用特殊元素?fù)诫s的Nb基氫透過合金，其特征在于，該采用特殊元素?fù)诫s的Nb基氫透過合金的化學(xué)通式為Nb

【技術(shù)特征摘要】
1.采用特殊元素?fù)诫s的Nb基氫透過合金，其特征在于，該采用特殊元素?fù)诫s的Nb基氫透過合金的化學(xué)通式為Nb100-(x+y+z)MxNyPz；其中，M為Ti、Zr和Hf中的1種或者1種以上的元素，N為Ni和Co中的1種或者1種以上的元素；P為Cr、Fe、Cu、Al、Mo、Ru、Rh、W、Si、Mn、Sn、Zn和Mg中的1種或者1種以上的元素，20≤x≤30、10≤y≤30、5≤z≤20，x,y,z均為摩爾百分?jǐn)?shù)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用特殊元素?fù)诫s的Nb基氫透過合金，其特征在于，該采用特殊元素?fù)诫s的Nb基氫透過合金的最大滲氫系數(shù)為4.7～5.2×10-8mol·H2·m-1·s-1·Pa-0.5，滲氫控制溫度為523～673K，并具有抗氫脆性能。3.權(quán)利要求1所述的采用特殊元素?fù)诫s的Nb基氫透過合金的制備方法，其特征在于，該制備方法包括：步驟1，切割原材料，并清理原材料表面：切割原材料時，用電火花線切割儀器切割塊狀原材料，使之形成顆粒狀，便于混合均勻，方便熔煉；清理原材料表面時，將顆粒狀原料先后在王水、去離子水以及丙酮溶液中進行清洗，以除去原材料表面的氧化膜；...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：石鋒，
申請(專利權(quán))人：山東科技大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：山東,37