高牢固度吸氫及其同位素吸氣劑制造技術

本發明專利技術與高牢固度的選擇吸氫材料有關，它由鋯的金屬間化合物５－４０，抗燒結元素１－１０，其余為鋯組成。所說的鋯的金屬間化合物是鋯鐵、鋯鋁、鋯鎳金屬間化合物；所說的抗燒結元素可以是硅，也可以是石墨。本發明專利技術的吸氣劑具有極好的吸氣性能和較高的牢固度。（*該技術在2012年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于吸氣材料，尤其與高牢固度的選擇吸氫材料有關。吸氣劑主要用于各種電真空器件，以提高并保持器件中的真空度、延長器件的使用壽命;也可用于充氣容器中，以提高氣體的純度。具有選擇吸氣能力的吸氣材料還具有特殊的應用，例如鋇鈦吸氣劑、鋯石墨吸氣劑、鋯釩鐵吸氣劑及鑭基吸氣劑等，除了對一般氣體有好的吸氣性能外，對氫氣有特別優異的吸氣性能，不僅可用于純化氫脆，還可在金屬氫蓄電池、氫吸附式壓縮機、熱泵、空調、機器人用驅動裝置及傳感器等多種應用領域中應用，隨著科學技術的發展，對吸氣劑提出了新的要求，不但要求其有好的吸氣性能，還希望吸氣劑在吸氫后不發生氫脆，并具有高的牢固度，使器件在超高壓或強烈振動條件下工作不會有μm級掉粉，然而現有的吸氣劑是達不到這些要求的。本專利技術的目的是要設計一種具有高牢固度的、吸氫及其同位素性能好的吸氣劑。本專利技術的吸氣劑由鋯、鋯的金屬間化合物及燒結元素組成。鋯的金屬間化合物是鋯-鐵，鋯-鋁、鋯-鎳。抗燒結元素可以是石墨，也可以是硅，吸氣劑的組成(重量%)為鋯的金屬間化合物5-40、抗燒結元素1-10、其余為鋯。高溫下吸氣的非蒸散型吸氣劑其吸氣速率取決于占優勢的體擴散或晶介擴散，而在較低溫度下使用的非蒸散型吸氣劑主要靠表面起吸氣作用，只有促進表面反應才能有效提高其吸氣速率，最有效的辦法是在不改變吸氣劑外形尺寸的前提下增大材料本身的孔隙度，即提高吸氣劑的比表面積，但是這種方法勢必使材料的致密性變差，即強度變差，為了使材料保持好的吸氣性能，又兼具高的強度和牢固度，本專利技術采用了新的技術方案，即在活性元素鋯中同時加入鋯的金屬間化合物和抗燒結元素。本專利技術中加入的鋯的金屬間化合物既作為粘結相，也是為了提高其吸氫性能，鋯的金屬間化合物是鋯鋁、鋯鐵、鋯鎳。氣體在鋯鋁合金中的擴散活化能比純鋯要大的多，例如氫在鋯鋁合金中的擴散活化能是8792.3焦爾/克分子，而在純鋯中的擴散活化能是46892.2焦爾/克分子，在鋯的其他金屬間化合物中也有類似特性，附圖說明圖1是在GB2047950中公開的鋯鋁(ZrAl16)鋯鎳(Zr2Ni)及鋯鐵(Zr2Fe)的金屬間化合物在400℃條件下的吸氫特性曲線，說明這三種金屬間化合物都是很好的吸氫材料，適量地加入到活性元素鋯中去會有利于提高合金材料的吸氫性能。此外，Zr2Ni在961℃時可與鋯生成低熔點共晶物，有可能在選定的燒結溫度下起粘結相的作用。由含有大量的Zr2Fe和少量Zr4Fe例如Zr2Fe與Zr4Fe的重量比為10-30∶1組成的多相鋯鐵金屬間化合物，其中Zr4Fe的熔點為937℃，在燒結溫度下也有可能起粘結相的作用，它們的加入可對合金材料的強度起有利的作用。吸氣劑中加入粘結相是為了使活性元素粒子間得到一定的濕潤而在表面稍有粘結，但并不希望活性元素的互相燒結，否則會使其失去吸氣作用，為避免活性元素的燒結及防止活性元素在燒結時的聚集和長大，并且抑制粉末燒結體的明顯收縮，必須加入適量的抗燒結元素，常用的抗燒結元素有石墨、硅等。本專利技術設計的吸氣劑具有下述優點。1.吸氣性能好，尤其有好的吸氫性能激活后開始吸氫第十分鐘吸氣速率大于10m3/sec.m2.2.工作溫度范圍寬在-45℃～55℃溫度范圍內均可正常工作.3.吸氫量達13.3m3Pa/m2后不發生氫脆.4.牢固度高.圖1是幾種化合物在400℃條件下的吸氫特性曲線，縱座標為吸氣速率，橫座標為吸氣容量，其中1代表ZrAl16，2代表Zr2Ni，3代表Zr2Fe。圖2為牢固度測定裝置的示意圖。下面將結合實施例對本專利技術的吸氣劑的實施方式及優點作進一步描述。一、使用原子能級海綿鋯、鋯粉、電真空級的純鐵、光譜純的石墨粉、單晶硅為原料，先按海綿鋯76和純鐵24重量百分比配料后，在非自耗電弧爐氬氣保護下按常規工藝熔煉澆入水冷銅坩堝內，鑄得鑄錠的表面溫度在8小時后降至室溫。鋯鐵錠經破碎、篩分后得到鋯鐵粉末，X光相結構分析表明該鋯鐵粉末是含有大量的Zr2Fe和少量Zr4Fe的多相金屬間化合物，Zr2Fe和Zr4Fe的重量比為10∶1，將通過300目標準篩的鋯鐵粉、鋯粉和硅粉分別在真空下75±5℃烘烤后，按下述比例(重量%)配料鋯鐵粉10，硅粉4，其余為鋯，經充分混合后加入加拿大膠作為粘結劑，壓制成型后，先在650℃，真空度為1.33×10-2Pa下低溫予燒結10分鐘，再分別在930，1050℃不同溫度，真空度為1.33×10-3Pa下高溫燒結10分鐘，即制得本專利技術設計的一種組成的吸氣劑。使用鋯粉和石墨粉采用常規工藝制得已有技術的Zr-C吸氣劑。對制得的樣品分別進行吸氣性能、牢固度的測定。其中吸氣性能按國家標準規定進行，采用尺寸為φ11.5×φ6.3×1.5毫米的環狀樣品，吸氣劑暴露面積為0.62平方厘米，牢固度的測定方法采用破壞性試驗方法，牢固度測定裝置的示意圖見圖2，該裝置由振動裝置1，振動平臺2、設置在平臺上的金屬容器3及蓋板4和壓緊螺釘5等組成。金屬容器的底為金屬網6，中間有隔板7將容器分隔成若干空間，待測試樣放在各空間內。振動裝置的頻率和振幅范圍根據需要可以調節。試驗開始后，樣品在容器內因振動而作雜亂運動，樣品與容器壁、蓋板、隔板及底部金屬網相碰撞，隨著試驗頻率振幅的加大，撞擊越激烈，振動時間越長，樣品磨損越嚴重。為盡量減小誤差，需要同一條件對比的樣品可分別裝在同一容器的不同空間，采用同臺同條件振動的方法以提高試驗的可比性，試驗結束后，分別取出稱重，然后按下式計算樣品失重率，根據樣品失重率大小，判定材料的牢固度，失重率越小說明材料牢固度越大。△W＝ (A-B)/(A) ×100%式中△W-樣品失重率(%)。A-振動前樣品重量(克)。B-振動后樣品重量(克)。試驗樣品為φ6×5毫米的柱體，振動頻率38Hz，振幅為1.2毫米，振動時間40分鐘，在萬分之一天平上稱重。測得的吸氣性能、牢固度(失重百分率AW)、孔隙度的結果見表1。＊S10為材料激活后開始吸氣第10分鐘吸氣速率，單位m3/sec.m2。＊＊Q10為材料激活后開始吸氣第10分鐘累計吸氣量，單位m3Pa/m2。＊＊Q30為材料激活后開始吸氣后第30分鐘累計吸氣量，單位m3Pa/m2。從表1可看出，本專利技術的材料隨著燒結溫度提高，孔隙度明顯下降，失重百分率變小，這說明材料強度提高。但是即使采用較低溫度燒結，其吸氫性能和失重百分率即材料強度仍比Zr-C的有極明顯的提高。將經965℃燒結的本實例未吸H2樣品及在吸H2量為15.2Pa·m3/m2的兩個吸H2樣品在同臺同條件下做振動試驗，所得數據列于表2。從表中可見吸氫后樣品的失重百分率與未吸氫樣品的處在同一水平，說明該材料吸氫后的強度性能仍可以保證，不發生氫脆，不會影響材料在吸氫條件下的正常使用。二、使用例一相同的原料和工藝，與例一不同的是鑄得的鋯鐵鑄錠的表面溫度在4小時后降至室溫，破碎篩分后鋯鐵粉末中Zr2Fe和Zr4Fe的重量比為19∶1。按不同配料比(重量%)制得的各種吸氣劑的性能見表3。三、使用例一相同的原料和工藝，與例一不同的是鑄得的鋯鐵鑄錠的表面溫度在1小時后降至室溫，破碎篩分后鋯鐵粉末中Zr2Fe和Zr4Fe的重量比為30∶1。按不同配料比(重量%)制得的各種吸氣劑的性能見表4。四、用例一制得的吸氣劑進行裝本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種高牢固度吸氣劑，其特征是所說的吸氣劑由鋯、鋯的金屬間化合物和抗燒結元素組成，其組成（重量％）為鋯的金屬間化合物５－４０，抗燒結元素１－１０，其余為鋯。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：秦光榮，詹鋒，尉秀英，
申請(專利權)人：北京有色金屬研究總院，
類型：發明
國別省市：11[中國|北京]