高活性、高抗氫誘發歧化的儲氫同位素Sc-Cr-Mn合金的製作方法

2023-06-11 03:50:51

專利名稱：高活性、高抗氫誘發歧化的儲氫同位素Sc-Cr-Mn合金的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種儲氫同位素合金材料，具體涉及一種高活性、高抗氫誘發歧化的儲氫同位素Sc-Cr-Mn合金。
背景技術：
人類利用核能的途徑有兩條重核裂變和輕核聚變。氚既是重核裂變反應堆中的副產物，又是輕核聚變所必須的反應物。解決核裂變反應堆中氚的回收、儲運和供給輕核聚變所需，具有十分重要的意義。·
二十世紀五六十年代，金屬U成為核反應堆普遍使用的儲氚材料，隨著U安全性問題的出現，以及ZrCo合金表現出的高儲氚性能，從九十年代開始，國際熱核聚變實驗堆(ITER)將ZrCo合金作為U的替代材料，用於氚的儲存與分離、提純等方面。ZrCo合金最大的儲氫量為I. 9wt%，為了完全釋放掉合金中的氫原子必須升高溫度，但是當溫度升高到300°C以上，其放氫與吸氫動力學曲線不完全吻合，出現明顯的滯後，且當溫度繼續升高後，吸氫生成的合金氫化物釋放氫量隨著時間延長而大幅下降，合金的氫不能完全放出，即所謂的高溫氫誘發歧化現象，這種現象限制了該合金在氚分離、提純方面的大規模應用。之前公布的Zr-Co-M(M = Ti或Hf)合金(專利申請號200810239961. 2)最大儲氫量不低於I. 7wt%，放氫必須升高溫度達到400°C以上，該合金雖然在O. IOMPa初始壓力、673K使用條件下的抗氫誘發歧化比ZrCo合金提高4倍以上，但最終仍然在高溫發生氫誘發的歧化行
為。因此有必要研製開發出--種高活性、高抗毒性、高抗氫誘發歧化性能的儲氫同位素合金。

發明內容
本發明的目的在於提供一種高活性、高抗氫誘發歧化的儲氫同位素Sc-Cr-Mn合金，該合金性能優於ZrCo合金和Zr-Co-M(M = Ti、Hf)合金,具有更好的活化性能、更大的儲氫量和更強的抗氫誘發歧化性能。為實現上述目的，本發明所提供儲氫合金的化學組成通式為=Scx(CryMrvy)2，式中
0.85 ^ X ^ I. 15,0. 35 ^ y ^ O. 65 ;x、y均為原子百分含量。所述合金組分形成六方Laves相結構。本發明的有益效果為I、本發明儲氫合金毫米尺寸塊體在室溫、低於一個大氣壓條件下(O. 5KPa)可以直接吸氫，無需高溫或高壓預處理活化，具有很好的動力學性能。2、本發明儲氫合金在室溫、O. IMPa壓強下儲氫量為2. 5wt% (LaNi5，室溫，IMPa，
1.4wt% ;TiFe，室溫，5MPa，I. 86wt% );室溫吸氫平衡壓力低於O. OlPa，氫完全釋放溫度低於 400°C。3、本發明儲氫合金升溫到200°C以上，合金吸氫與放氫動力學曲線吻合，不存在吸放氫滯後和氫誘發歧化現象。
4、本發明儲氫合金形成的氫化物具有高結晶度，抗粉化性能較好，抗中毒能力較強，空氣中不自燃，適合氫、氘、氚同位素的儲運。


圖I為Sc(Cra5Mna5)2合金塊體在室溫下和不同氫壓下的加氫動力學曲線；(a)在98. 6KPa氫壓下初次加氫；(b)在O. 46KPa氫壓下21次連續加氫。圖2為Sc(Crtl5Mna5)2合金在不同溫度下的P-C-T曲線；橫坐標為儲氫量(H/M)，縱坐標為吸放氫平衡壓力(KPa)。圖3為Sc (Cr0.5Mn0.5) 2合金氫化物的TG-DSC曲線。圖4為Sc (Cra5Mna5)2合金及其氫化物的XRD圖譜。
具體實施例方式為能進一步了解本發明的技術內容、特點及功效，下面結合附圖詳細說明如下合成Sc-Cr-Mn合金以商品金屬元素Sc塊體和Cr、Mn片體作為起始材料，元素純度均不低於99. 9%,按照名義成分Sc (Cra5Mna5)2 (合金成分為原子百分比,at. % )進行配料後，在高純Ar (99. 999% )氣氛保護的磁控電弧爐中反覆熔煉4遍(合金錠翻轉重熔時要趁熱在高溫下進行，以免碎裂)，製成重量約為30克的合金錠。將合金錠砸開取下一塊約O. 6克左右具新鮮表面的樣品，放入自製的氫氣反應器的樣品室中，機械泵抽真空30分鐘後，對氫氣反應器系統中充入98. 6KPa的氫氣，做初次加氫動力學測試，以考察合金的活化和動力學性能，見圖1(a)。同類樣品放置17天表面氧化後，在同樣條件下需2-3小時孕育期才能活化，但加氫動力學性能變化不大。將同類樣品放入自製的氫氣反應器的樣品室，機械泵抽真空30分鐘後，加
O.46KPa的氫氣,待平衡後再加O. 46KPa左右的氫氣,連續加氫21次,考察合金在室溫和低氫壓條件下的吸氫行為，見圖1(b)。將I. 2克左右的同類樣品，放入自製的氫氣反應器的樣品室中，機械泵抽真空30分鐘後，在室溫下對合金進行充氫，當合金吸氫形成的氫化物中氫含量達到飽和且平衡到IlOKPa為止，然後進行脫氫。降低系統氫壓使合金氫化物放氫，在系統達到較低的平衡壓(O. 6KPa)後對樣品室加溫到653K,使合金完全脫氫,完成一個充放氫循環。經過一次活化後，分別在571K、400K、433K、471K、508K、298K進行充放氫實驗，記錄數據製作P-C-T曲線，見圖2。從圖中可以看出溫度達到478Κ後吸放氫曲線重合，且未發生氫歧化現象。取經過多次充放氫，且最後尚未脫氫的氫化物樣品，做TG-DSC測試，結果見圖3。放氫過程中DSC曲線出現一個很強的吸熱峰，對應β相向α相轉變。從TG曲線估算653Κ放氫量為2. 33wt%，此時質譜檢測不到釋放氫，顯示完成脫氫。本發明的儲氫合金與現有合金的性能比較見表I。可以看出，本發明儲氫合金除吸放氫平臺較斜外，其餘性能均較現有合金有所提高，尤其是活化性能和儲氫量更為優越。表I
權利要求
1 . 一種高活性、高抗氫誘發歧化的儲氫同位素Sc-Cr-Mn合金，其特徵在於所述合金化學組成通式為=Scx(CryMrvy)2，式中O. 85彡x彡L 15,0. 35 ^ y ^ O. 65 ;x、y均為原子百分含量。
全文摘要
本發明涉及一種高活性、高抗氫誘發歧化的儲氫同位素Sc-Cr-Mn合金，其特徵在於通式為Scx(CryMn1-y)2，其中，0.85≤x≤1.15，0.35≤y≤0.65。該合金在室溫、0.5KPa可以直接吸氫，無需高溫或高壓預處理活化；在室溫、0.1MPa壓強下儲氫量為2.5wt％；室溫吸氫平衡壓力低於0.01Pa，氫完全釋放溫度低於400℃；升溫到200℃以上，合金吸氫與放氫動力學曲線吻合，不存在吸放氫滯後和氫誘發歧化現象；形成的氫化物具有高結晶度，抗粉化性能較好，抗中毒能力較強，空氣中不白燃，適合氫、氘、氚同位素的儲運。
文檔編號C01B6/24GK102952988SQ20111023491
公開日2013年3月6日 申請日期2011年8月16日 優先權日2011年8月16日
發明者李武會, 吳二冬, 李靜, 馬坪, 石勁松 申請人:中國科學院金屬研究所