CN102952988B - 高活性、高抗氢诱发歧化的储氢同位素Sc-Cr-Mn合金 - Google Patents
高活性、高抗氢诱发歧化的储氢同位素Sc-Cr-Mn合金 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种高活性、高抗氢诱发歧化的储氢同位素Sc-Cr-Mn合金，其特征在于：通式为Scx(CryMn1-y)2，其中，0.85≤x≤1.15，0.35≤y≤0.65。该合金在室温、0.5KPa可以直接吸氢，无需高温或高压预处理活化；在室温、0.1MPa压强下储氢量为2.5wt％；室温吸氢平衡压力低于0.01Pa，氢完全释放温度低于400℃；升温到200℃以上，合金吸氢与放氢动力学曲线吻合，不存在吸放氢滞后和氢诱发歧化现象；形成的氢化物具有高结晶度，抗粉化性能较好，抗中毒能力较强，空气中不白燃，适合氢、氘、氚同位素的储运。
Description
技术领域
本发明涉及一种储氢同位素合金材料，具体涉及一种高活性、高抗氢诱发歧化的储氢同位素Sc-Cr-Mn合金。
背景技术
人类利用核能的途径有两条：重核裂变和轻核聚变。氚既是重核裂变反应堆中的副产物，又是轻核聚变所必须的反应物。解决核裂变反应堆中氚的回收、储运和供给轻核聚变所需，具有十分重要的意义。
二十世纪五六十年代，金属U成为核反应堆普遍使用的储氚材料，随着U安全性问题的出现，以及ZrCo合金表现出的高储氚性能，从九十年代开始，国际热核聚变实验堆(ITER)将ZrCo合金作为U的替代材料，用于氚的储存与分离、提纯等方面。ZrCo合金最大的储氢量为1.9wt％，为了完全释放掉合金中的氢原子必须升高温度，但是当温度升高到300℃以上，其放氢与吸氢动力学曲线不完全吻合，出现明显的滞后，且当温度继续升高后，吸氢生成的合金氢化物释放氢量随着时间延长而大幅下降，合金的氢不能完全放出，即所谓的高温氢诱发歧化现象，这种现象限制了该合金在氚分离、提纯方面的大规模应用。之前公布的Zr-Co-M(M＝Ti或Hf)合金(专利申请号：200810239961.2)最大储氢量不低于1.7wt％，放氢必须升高温度达到400℃以上，该合金虽然在0.10MPa初始压力、673K使用条件下的抗氢诱发歧化比ZrCo合金提高4倍以上，但最终仍然在高温发生氢诱发的歧化行为。因此有必要研制开发出一一种高活性、高抗毒性、高抗氢诱发歧化性能的储氢同位素合金。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高活性、高抗氢诱发歧化的储氢同位素Sc-Cr-Mn合金，该合金性能优于ZrCo合金和Zr-Co-M(M＝Ti、Hf)合金，具有更好的活化性能、更大的储氢量和更强的抗氢诱发歧化性能。
为实现上述目的，本发明所提供储氢合金的化学组成通式为：Scx(CryMn1- y)2，式中0.85≤x≤1.15，0.35≤y≤0.65；x、y均为原子百分含量。所述合金组分形成六方Laves相结构。
本发明的有益效果为：
1、本发明储氢合金毫米尺寸块体在室温、低于一个大气压条件下(0.5KPa)可以直接吸氢，无需高温或高压预处理活化，具有很好的动力学性能。
2、本发明储氢合金在室温、0.1MPa压强下储氢量为2.5wt％(LaNi5，室温，1MPa，1.4wt％；TiFe，室温，5MPa，1.86wt％)；室温吸氢平衡压力低于0.01Pa，氢完全释放温度低于400℃。
3、本发明储氢合金升温到200℃以上，合金吸氢与放氢动力学曲线吻合，不存在吸放氢滞后和氢诱发歧化现象。
4、本发明储氢合金形成的氢化物具有高结晶度，抗粉化性能较好，抗中毒能力较强，空气中不自燃，适合氢、氘、氚同位素的储运。
附图说明
图1为Sc(Cr0.5Mn0.5)2合金块体在室温下和不同氢压下的加氢动力学曲线；(a)在98.6KPa氢压下初次加氢；(b)在0.46KPa氢压下21次连续加氢。
图2为Sc(Cr0.5Mn0.5)2合金在不同温度下的P-C-T曲线；横坐标为储氢量(H/M)，纵坐标为吸放氢平衡压力(KPa)。
图3为Sc(Cr0.5Mn0.5)2合金氢化物的TG-DSC曲线。
图4为Sc(Cr0.5Mn0.5)2合金及其氢化物的XRD图谱。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的技术内容、特点及功效，下面结合附图详细说明如下：
合成Sc-Cr-Mn合金：以商品金属元素Sc块体和Cr、Mn片体作为起始材料，元素纯度均不低于99.9％，按照名义成分Sc(Cr0.5Mn0.5)2(合金成分为原子百分比，at.％)进行配料后，在高纯Ar(99.999％)气氛保护的磁控电弧炉中反复熔炼4遍(合金锭翻转重熔时要趁热在高温下进行，以免碎裂)，制成重量约为30克的合金锭。
将合金锭砸开取下一块约0.6克左右具新鲜表面的样品，放入自制的氢气反应器的样品室中，机械泵抽真空30分钟后，对氢气反应器系统中充入98.6KPa的氢气，做初次加氢动力学测试，以考察合金的活化和动力学性能，见图1(a)。同类样品放置17天表面氧化后，在同样条件下需2-3小时孕育期才能活化，但加氢动力学性能变化不大。
将同类样品放入自制的氢气反应器的样品室，机械泵抽真空30分钟后，加0.46KPa的氢气，待平衡后再加0.46KPa左右的氢气，连续加氢21次，考察合金在室温和低氢压条件下的吸氢行为，见图1(b)。
将1.2克左右的同类样品，放入自制的氢气反应器的样品室中，机械泵抽真空30分钟后，在室温下对合金进行充氢，当合金吸氢形成的氢化物中氢含量达到饱和且平衡到110KPa为止，然后进行脱氢。降低系统氢压使合金氢化物放氢，在系统达到较低的平衡压(0.6KPa)后对样品室加温到653K，使合金完全脱氢，完成一个充放氢循环。经过一次活化后，分别在571K、400K、433K、471K、508K、298K进行充放氢实验，记录数据制作P-C-T曲线，见图2。从图中可以看出温度达到478K后吸放氢曲线重合，且未发生氢歧化现象。
取经过多次充放氢，且最后尚未脱氢的氢化物样品，做TG-DSC测试，结果见图3。放氢过程中DSC曲线出现一个很强的吸热峰，对应β相向α相转变。从TG曲线估算653K放氢量为2.33wt％，此时质谱检测不到释放氢，显示完成脱氢。
本发明的储氢合金与现有合金的性能比较见表1。可以看出，本发明储氢合金除吸放氢平台较斜外，其余性能均较现有合金有所提高，尤其是活化性能和储氢量更为优越。
表1
Sc-Cr-Mn合金与其氢化物的XRD结果见图4。XRD显示合金为AB2型六方Laves相，Laves相为拓扑密堆相，具有高对称性、大配位数及高堆积密度等特点，密堆合金晶格参数c与a理想比值为1.633，A与B原子半径R理想比值为1.225。而Sc(Cr0.5Mn0.5)2合金c/a值为1.632，RA/RB值为1.197，非常接近理想值，相应合金氢化物的XRD显示晶格c/a值为1.629，且具有高结晶度，为稳定氢化物提供了适合的晶体结构。另一方面，对Ti-Zr系列Laves相储氢合金的研究表明，合金中A元素配比在一定范围内的变化可改善储氢性能，而B元素中Cr与Mn的最佳比值也在一定程度上偏离1，因此，将发明Sc-Cr-Mn合金的通式表示为Scx(CryMn1-y)2，其中Sc、Cr、Mn元素配比在合金Sc(Cr0.5Mn0.5)2成分的一定范围内变化。
Claims (1)
1.一种高活性、高抗氢诱发歧化的储氢同位素Sc-Cr-Mn合金，其特征在于：所述合金化学组成通式为：Scx(CryMn1-y)2，式中0.85≤x≤1.15，0.35≤y≤0.65；x、y均为原子百分含量。
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