CN111485165B - 一种钇-钪-铁合金材料、钇-钛-钪-铁合金材料、制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及储氢合金材料领域，尤其涉及一种钇‑钪‑铁合金材料和钇‑钛‑钪‑铁合金材料，其化学通式分别为Y1‑xScxFe2和Y1‑x‑yTiyScxFe2，0.1≤x≤0.5，0.1≤y≤0.2。本发明还公开了钇‑钪‑铁和钇‑钛‑钪‑铁合金材料的制备方法，包括：按照化学通式的物质量比例称取金属块体材料进行混合，在温度高于1600℃的条件下熔炼，冷却后得到合金铸锭；将合金铸锭置于退火容器中密封，并将退火容器抽至真空状态；将退火容器置于预设条件下退火，冷却后从退火容器中取出合金块；将合金块破碎成粉末状态，得到合金材料。本发明提供的合金材料结构稳定，储氢容量高，吸氢温度低，吸放氢性能优异，脱氢性能得到明显提升，有利于合金材料在储氢领域和镍氢电池领域的进一步实际应用。
Description
技术领域
本发明涉及储氢合金材料技术领域，具体涉及一种钇-钪-铁合金材料、钇-钛-钪-铁合金材料、制备方法及应用。
背景技术
稀土元素有“工业黄金”、“工业维生素”的称号，具有重要的战略地位和经济价值。我国是稀土资源大国，稀土矿资源占世界稀土资源的43％，使得稀土成本具有的得天独厚的条件优势。然而由于轻稀土储量比重稀土高，且存在供需关系十分不平衡的状况，制约了轻稀土在各高端领域的发展。自轻稀土元素钇(yttrium，简写为Y)被发现以来，稀土已经广泛应用于石油、化工、冶金、纺织、陶瓷、玻璃、发光材料、永磁材料、储能材料等领域，尤其是在高新技术领域扮演着越来越重要的角色。
目前，永磁材料和发光材料是稀土的两个主要应用领域，占稀土应用的近70％，决定着稀土产业的发展。由于这两大领域所用到的稀土元素主要是重稀土，如Eu、Pr、Er、Nd、Tb、Sm、Dy、Gd等，而其他相对较冷门领域(如储能材料领域等)则更多的是利用稀土中的Y、La、Ce等轻质元素，因此造成了部分轻质稀土元素库存过高，经济效益低下。为了提高稀土的综合利用效率，扩大轻质稀土材料的应用途径，使整个稀土生态更加平衡，推动当下稀土行业供给侧改革显得尤为重要。
目前，能源短缺问题和环境保护问题已经被提上议程。传统的石油和煤炭等不可再生能源已无法满足人们日益增长的能源需求，加之其带来的环境污染问题使得新能源的发展愈发迫切。氢能作为一种清洁、高效的二次能源，已经成为各国竞相开发的能源热点。氢是自然界中普遍存在的元素，其来源不受限制，而且氢本身无毒，燃烧值为汽油的3倍，燃烧产物清洁，是解决当今环境污染的重要能源之一。目前，氢气的储存和运输制约着氢能的进一步发展和运用，开发经济、安全、高效的氢储存技术更是氢能应用的重点和难点，也是储氢材料进行大规模利用的核心问题。
稀土元素作为比较安全有效的吸氢物质，在固体储氢方面得到了极大的应用，寻找新型稀土储氢材料越来越受到科学界的广泛关注。稀土储氢合金具有较高的储氢容量和优良的常温吸氢性能，因此其在能源、化工、电子、宇航、军事及民用各个领域上获得广泛的应用。然而，相当大一部分稀土储氢合金在实际吸氢过程中会发生氢致非晶化和歧化反应的现象，使得材料结构不稳定，甚至发生破坏，导致材料可逆储氢容量迅速衰减，循环性能受到限制，不利于进一步的商业化应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种钇-钪-铁合金材料、钇-钛-钪-铁合金材料、制备方法及应用，钇-钪-铁合金材料和钇-钛-钪-铁合金材料吸放氢循环后能维持拉弗斯相的晶体结构，旨在解决现有稀土储氢材料因氢致非晶化及歧化分解导致结构不稳定的技术问题。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
第一方面，本发明提供了一种钇-钪-铁合金材料，所述钇-钪-铁合金材料的化学通式为Y1-xScxFe2，其中，0.1≤x≤0.5。
在一个实施例中，所述x的取值范围为0.3-0.5。
第二方面，本发明提供了一种如上所述的钇-钪-铁合金材料的制备方法，包括以下步骤：
按照所述化学通式的物质量的比例称取钇、钪和铁的金属块体材料进行混合，在温度高于1600℃的条件下熔炼，冷却后得到合金铸锭；
将获得的所述合金铸锭置于退火容器中密封，并将所述退火容器抽至真空状态；
将所述退火容器置于预设条件下退火，冷却后从所述退火容器中取出合金块；
将所述合金块破碎成粉末状态，得到钇-钪-铁合金材料。
在一个实施例中，所述在温度高于1600℃的条件下熔炼的具体过程包括：在温度为1600-1800℃的电弧熔炼炉中反复熔炼多次，每次熔炼时间为3-10分钟。
在一个实施例中，所述在温度为1600-1800℃的电弧熔炼炉中反复熔炼多次步骤中，在电弧熔炼炉中熔炼时的真空度为7.0x10-4-1.0x10-3Pa。
在一个实施例中，所述在温度为1600-1800℃的电弧熔炼炉中反复熔炼多次的过程中，熔炼的次数不少于6次。
在一个实施例中，所述在温度为1600-1800℃的电弧熔炼炉中反复熔炼多次步骤中，将每次熔炼得到的合金铸锭翻面后重新熔融和冷却，反复熔炼多次。
在一个实施例中，所述将所述退火容器抽至真空状态的具体过程包括：用油扩散泵将所述退火容器抽至真空度为5.0x10-5～1.0x10-4Pa。
在一个实施例中，所述将所述退火容器置于预设条件下退火的具体过程包括：将所述退火容器置于箱式电阻炉内进行高温退火，退火温度不高于1100℃，退火时间为3～5天。
在一个实施例中，所述将所述合金块破碎成粉末状态的具体过程包括：将所述合金块置于惰性气体的保护气氛中进行破碎，得到具有拉弗斯相结构的钇-钪-铁合金材料。
第三方面，本发明提供了一种如上所述的钇-钪-铁合金材料的应用，所述钇-钪-铁合金材料作为储氢材料或用于制造镍氢电池。
与现有技术相比，本发明提供的钇-钪-铁合金材料的有益效果至少在于：
(1)本发明提供的钇-钪-铁合金材料储氢容量高，最大储氢量可以达到1.94wt.％。
(2)本发明提供的钇-钪-铁合金材料吸氢温度低，能在接近室温下(40℃)与氢气发生作用，从而达到储存氢气的效果；
(3)本发明提供的钇-钪-铁合金材料结构稳定，氢原子以固溶的方式存在于合金晶格的间隙当中，因此钇-钪-铁合金材料在吸氢后能够保持原来的晶体结构不变，不生成新的物相。
(4)本发明提供的钇-钪-铁合金材料循环经过多次吸放氢气后容量基本保持不变，且循环滞后性小，吸放氢性能优异。
(5)本发明提供的钇-钪-铁合金材料的脱氢性能得到明显提升，有利于合金材料在储氢领域和镍氢电池领域的进一步实际应用。
第四方面，本发明提供了一种钇-钛-钪-铁合金材料，所述钇-钛-钪-铁合金材料的化学通式为Y1-x-yTiyScxFe2，其中，0.1≤x≤0.5，0.1≤y≤0.2。
第五方面，本发明提供了一种如上所述的钇-钛-钪-铁合金材料的制备方法，包括以下步骤：
按照所述化学通式的物质量的比例称取钇、钛、钪和铁的金属块体材料进行混合，在温度高于1600℃的条件下熔炼，冷却后得到合金铸锭；
将获得的所述合金铸锭置于退火容器中密封，并将所述退火容器抽至真空状态；
将所述退火容器置于预设条件下退火，冷却后从所述退火容器中取出合金块；
将所述合金块破碎成粉末状态，得到钇-钛-钪-铁合金材料。
在一个实施例中，所述在温度高于1600℃的条件下熔炼的具体过程包括：在温度为1600-1800℃的电弧熔炼炉中反复熔炼多次，每次熔炼时间为3-10分钟。
在一个实施例中，所述在温度为1600-1800℃的电弧熔炼炉中反复熔炼多次步骤中，在电弧熔炼炉中熔炼时的真空度为7.0x10-4-1.0x10-3Pa。
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在一个实施例中，所述将所述合金块破碎成粉末状态的具体过程包括：将所述合金块置于惰性气体的保护气氛中进行破碎，得到具有拉弗斯相结构的钇-钛-钪-铁合金材料。
第六方面，本发明提供了如上所述的钇-钛-钪-铁合金材料的应用，所述钇-钛-钪-铁合金材料作为储氢材料或用于制造镍氢电池。
与现有技术相比，本发明提供的钇-钛-钪-铁合金材料的有益效果至少在于：
(1)本发明提供的钇-钛-钪-铁合金材料吸氢温度低，能在接近室温下与氢气发生作用，从而达到储存氢气的效果；
(2)本发明提供的钇-钛-钪-铁合金材料结构稳定，在吸氢后能够保持原来的晶体结构不变，不生成新的物相，且脱氢性能得到进一步改善。
(3)本发明提供的钇-钛-钪-铁合金材料循环经过多次吸放氢气后容量基本保持不变，循环滞后性小，吸放氢性能优异。
(4)本发明提供的钇-钛-钪-铁合金材料的脱氢性能得到明显提升，有利于合金材料在储氢领域和镍氢电池领域的进一步实际应用。
附图说明
图1为本发明的实施例1(Y0.9Sc0.1Fe2)的钇-钪-铁合金材料在不同状态下：(a)熔炼产物；(b)在100℃下吸氢后的吸氢产物；(c)在40℃下吸氢后的吸氢产物XRD图谱。
图2为本发明的实施例1(Y0.9Sc0.1Fe2)的钇-钪-铁合金材料在40℃、4MPa氢压下的吸氢动力学曲线图。
图3为本发明的实施例2(Y0.8Sc0.2Fe2)的钇-钪-铁合金材料在不同状态下：(a)熔炼产物；(b)在100℃下吸氢后的吸氢产物；(c)在40℃下吸氢后的吸氢产物XRD图谱。
图4为本发明的实施例3(Y0.7Sc0.3Fe2)的钇-钪-铁合金材料在不同状态下：(a)熔炼产物；(b)吸氢产物；(c)脱氢产物的XRD图谱。
图5为本发明的实施例3(Y0.7Sc0.3Fe2)的钇-钪-铁合金材料在40℃、4MPa氢压下的吸氢动力学曲线图。
图6为本发明的实施例4(Y0.6Sc0.4Fe2)的钇-钪-铁合金材料在不同状态下：(a)熔炼产物；(b)吸氢产物；(c)脱氢产物的XRD图谱。
图7为本发明的实施例4(Y0.6Sc0.4Fe2)的钇-钪-铁合金材料在40℃、4MPa氢压下的吸氢动力学曲线图。
图8为本发明的实施例5(Y0.5Sc0.5Fe2)的钇-钪-铁合金材料在不同状态下：(a)熔炼产物；(b)吸氢产物；(c)脱氢产物的XRD图谱。
图9为本发明的实施例5(Y0.5Sc0.5Fe2)的钇-钪-铁合金材料在40℃、4MPa氢压下的吸氢动力学曲线图。
图10为本发明的实施例3、实例4和实例5的钇-钪-铁合金材料在200℃的脱氢PCI(压力-组分-等温)曲线图。
图11为本发明实例5(Y0.5Sc0.5Fe2)的钇-钪-铁合金材料在180℃下的PCI(压力-组分-等温)曲线图。
图12为本发明的实施例6(Y0.4Ti0.1Sc0.5Fe2)的钇-钛-钪-铁合金材料在不同状态下：(a)熔炼产物；(b)吸氢产物；(c)脱氢产物的XRD图谱。
图13为本发明的实施例7(Y0.3Ti0.2Sc0.5Fe2)的钇-钛-钪-铁合金材料在不同状态下：(a)熔炼产物；(b)吸氢产物；(c)脱氢产物的XRD图谱。
图14为本发明的实施例6和实施例7(Y0.4Ti0.1Sc0.5Fe2，Y0.3Ti0.2Sc0.5Fe2)的钇-钛-钪-铁合金材料在40℃、4MPa氢压下的吸氢动力学曲线图。
图15为本发明的实例6和实例7(Y0.4Ti0.1Sc0.5Fe2，Y0.3Ti0.2Sc0.5Fe2)的钇-钛-钪-铁合金材料在200℃的脱氢PCI(压力-组分-等温)曲线图。
图16为本发明实例7(Y0.3Ti0.2Sc0.5Fe2)的钇-钛-钪-铁合金材料在多个温度下的PCI(压力-组分-等温)曲线图。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一方面，本发明实施例提供了一种钇-钪-铁合金材料，所述钇-钪-铁合金材料的化学通式为Y1-xScxFe2，其中，0.1≤x≤0.5。x的具体取值可以根据需要进行设置，例如可以为0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5等，此处不做限制。优选地，x的取值范围为0.3≤x≤0.5。通过调节x的取值，可以调节钇元素和钪元素之间的比例。
本发明实施例提供的钇-钪-铁合金材料具有良好的储氢性能，可以用作储氢材料或者用于制造镍氢电池。应当理解的是，本发明实施例提供的钇-钪-铁合金材料不仅可用于储氢技术领域，还可以应用于其他领域，此处不做限制。
传统的大部分稀土合金材料在与氢气反应的过程中，多数伴随着氢致非晶化和歧化现象出现，如YFe2合金与氢气反应，出现结构的崩塌，从有序的晶体结构转变成无序的非晶结构，并最终生成稳定性很高的YH3和Fe，从而使得合金无法可逆地吸放氢，难以投入到实际生产和应用当中。本发明实施例采用钪部分替代YFe2合金中的钇元素，YFe2的原子排列属于MgCu2型拉弗斯相密排结构，该结构中存在多种由稀土金属原子和过渡金属原子组成的四面体结构，而这些四面体结构当中的空隙可以被氢原子所占据，形成间隙固溶体。由于替代元素的体模量比钇要大得多，使得氢在占据合金的四面体间隙时，四面体被迫发生形变的趋势被减弱，从而提高和改善了合金抵抗氢质非晶化和歧化现象的能力。不仅如此，由于钪原子的半径比钇原子小得多，使得合金中的四面体间隙的尺寸变小，从而使得氢在占据四面体间隙时受到应力约束更大，氢占据四面体时显得更不稳定，有助于提高稀土合金的脱氢平台压，进而降低其脱氢温度，从而在接近室温的情况下也可以具有良好的储氢效果。
另一方面，本发明实施例提供的钇-钪-铁合金材料的制备方法可以包括如下步骤：
步骤S11：按照所述化学通式的物质量的比例称取钇、钪和铁的金属块体材料进行混合，在温度高于1600℃的条件下熔炼，冷却后得到合金铸锭。
由前述可知，钇、钪和铁的化学通式为Y1-xScxFe2，其中0.3≤x≤0.5。对于给定的x，则三种金属材料的物质量的比例就确定。通过将称取的钇、钪和铁的金属块体材料进行混合，以确保相互之间混合均匀，有利于后续的熔炼过程。
在一个实施例中，对三种金属材料的熔炼过程具体包括：在温度为1600℃-1800℃的电弧熔炼炉中反复熔炼多次，每次熔炼时间为3-10分钟。其中，在电弧熔炼炉中熔炼时的真空度为7.0x10-4-1.0x10-3Pa，例如可以为7.0x10-4、8.0x10-4、9.0x10-4、1.0x10-3等。熔炼的温度具体可以为1600℃、1650℃、1700℃、1750℃、1800℃等。熔炼的次数可以为6次以上，例如可以为6次。熔炼的过程可以为：将每次熔炼得到的合金铸锭翻面后重新熔融和冷却，反复熔炼多次。每次熔炼时间可以为3分钟、4分钟、5分钟、6分钟、7分钟、8分钟、9分钟、10分钟等，以确保能够达到良好的熔炼效果。
步骤S12：将获得的所述合金铸锭置于退火容器中密封，并将所述退火容器抽至真空状态。
退火容器可以根据需要进行选择，例如本实施例中的退火容器为石英管，其化学性质稳定，能够承受退火过程所需要的温度，便于对合金铸锭进行密封和抽真空。当然，在其他实施例中，退火容器也可以为其他类型，此处不做限制。
在一个实施例中，将所述退火容器抽至真空状态的具体过程包括：油扩散泵将所述退火容器抽至真空度为5.0x10-5～1.0x10-4Pa，例如真空度可以为5.0x10-5、6.0x10-5、7.0x10-5、8.0x10-5、9.0x10-5、1.0x10-4等。用于抽真空的泵也可以为其他类型，并不仅限于上述的情形。
步骤S13：将所述退火容器置于预设条件下退火，冷却后从所述退火容器中取出合金块。
在本实施中，步骤S13具体可以包括：将所述退火容器置于箱式电阻炉内进行高温退火，退火温度不高于1100℃，退火时间为3～5天。例如，退火温度可以为1100℃，退火时间为3天、4天或5天等。当退火结束后，需要将合金块从退火容器中取出，取出的方式可以根据需要进行选择，例如可以将石英管破碎后取出合金块。
步骤S14：将所述合金块破碎成粉末状态，得到钇-钪-铁合金材料。
在本实施例中，将所述合金块破碎成粉末状态的具体过程包括：将所述合金块置于惰性气体的保护气氛中进行破碎，得到具有MgCu2型拉弗斯相结构的钇-钪-铁合金材料。惰性气体可以为氩气，也可以为其他气体，此处不做限制。
为了进一步改善钇-钪-铁合金材料的脱氢性能，本实施例在钇-钪-铁合金材料的基础上，进一步加入了钛元素，形成钇-钛-钪-铁合金材料，该合金材料的脱氢平台被进一步升高，具有更好的脱氢性能。
具体地，本实施例提供一种钇-钛-钪-铁合金材料，所述钇-钛-钪-铁合金材料的化学通式为Y1-x-yTiyScxFe2，其中，0.1≤x≤0.5，0.1≤y≤0.2。x的具体取值可以根据需要进行设置，例如可以为0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5等，此处不做限制。y的具体取值可以根据需要进行设置，例如可以为0.1、0.11、0.12、0.13、0.14、0.15、0.16、0.17、0.18、0.19、0.2等，此处不做限制。通过调节x和y的取值，可以调节钇元素、钛元素和钪元素之间的比例。
钇-钛-钪-铁合金材料的制备方法与钇-钪-铁合金材料的制备方法类似，可参考前述关于钇-钪-铁合金材料的制备方法，此处不再赘述。以下给出钇-钛-钪-铁合金材料的制备方法的一种优选方案。
步骤S21：按照所述化学通式Y1-x-yTiyScxFe2的物质量的比例称取钇、钛、钪和铁的金属块，在电弧熔炼炉中1600℃熔炼5分钟，冷却后得到合金铸锭；
步骤S22：将得到的所述合金铸锭翻面，并重新熔融和冷却，如此反复熔炼6次。重新熔融在电弧熔炼炉中进行，熔炼温度为1600℃，熔炼时间为5分钟；
步骤S23：将获得的所述合金铸锭置于石英管中密封，并将石英管内的气压抽至5x10-5Pa；
步骤S24：将所述石英管置于1100℃的箱式电阻炉中退火5天，退火完成后随炉冷却，冷却后将石英管破碎，并从石英管中取出合金块；
步骤S25：将所述合金块于氩气保护气氛中破碎成粉末状态，得到成分均一、结构稳定的钇-钛-钪-铁合金材料。
本发明实施例提供的钇-钛-钪-铁合金材料具有良好的储氢性能，可以用作储氢材料或者用于制造镍氢电池。应当理解的是，本发明实施例提供的钇-钛-钪-铁合金材料不仅可用于储氢技术领域，还可以应用于其他领域，此处不做限制。
本发明实施例提供的钇-钛-钪-铁合金材料的原理与前述钇-钪-铁合金材料不会发生氢致非晶化及歧化分解的原理类似，此处不再赘述。同时，根据本实施例提供的钇-钛-钪-铁合金材料在200℃的脱氢PCI(压力-组分-等温)曲线可知，与钇-钪-铁合金材料相比，该合金材料的脱氢平压被进一步升高，脱氢性能被进一步改善。
本发明先后进行过多次试验，现举一部分试验结果作为参考对发明进行进一步详细描述，下面结合具体实施例进行详细说明。
实施例1
本实施例提供一种钇-钪-铁合金材料，所述钇-钪-铁合金材料的化学通式为Y0.9Sc0.1Fe2，钇-钪-铁合金材料的制备方法包括如下步骤：
步骤S311：按照所述化学通式Y0.9Sc0.1Fe2的物质量的比例称取钇、钪和铁的金属块，在电弧熔炼炉中1600℃熔炼5分钟，冷却后得到合金铸锭；
步骤S312：将得到的所述合金铸锭翻面，并重新熔融和冷却，如此反复熔炼6次。重新熔融在电弧熔炼炉中进行，熔炼温度为1600℃，熔炼时间为5分钟；
步骤S313：将获得的所述合金铸锭置于石英管中密封，并将石英管内的气压抽至5x10-5Pa；
步骤S314：将所述石英管置于1100℃的箱式电阻炉中退火5天，退火完成后随炉冷却，冷却后将石英管破碎，并从石英管中取出合金块；
步骤S315：将所述合金块于氩气保护气氛中破碎成粉末状态，得到成分均一、结构稳定的钇-钪-铁合金材料。
本实施例提供的钇-钪-铁合金材料Y0.9Sc0.1Fe2破碎成粉末后的X射线衍射图谱如图1(a)所示。从该图谱可见，退火产物相结构即为MgCu2型拉弗斯相密排结构，并且成分均一稳定。退火产物在40℃、4MPa氢压下氢化后，便可得到吸氢产物，吸氢产物的X射线衍射图谱如图1(b)所示。从该图谱可见，吸氢后的合金相结构保持不变，而衍射峰的位置整体往低角度偏移，由此说明合金吸氢后没有发生歧化反应，而且晶格常数显著增大，这是由于氢以氢原子的形式固溶在合金的晶格当中造成的。把吸氢产物在300℃下动态真空处理2h后，即可得到脱氢产物，脱氢产物的X射线衍射图谱如图1(c)所示。从该图谱可见，脱氢后衍射峰的位置较吸氢产物整体向高角度偏移，并基本回到与熔炼产物衍射峰相同的位置。由此说明氢原子从晶格中脱出，合金的晶格常数减小并回到初始状态，是一个可逆的吸放氢过程。
本实施例提供的钇-钪-铁合金材料Y0.9Sc0.1Fe2的合金吸氢动力学曲线如图2所示。从该图谱可见，本实施例提供的合金在40℃、4MPa的氢压下，能够吸收质量百分比1.45％的氢气，且经多次吸放氢循环后容量衰小，具有优异的循环吸放氢性能。
实施例2
本实施例提供一种钇-钪-铁合金材料，所述钇-钪-铁合金材料的化学通式为Y0.8Sc0.2Fe2，钇-钪-铁合金材料的制备方法包括如下步骤：
步骤S321：按照所述化学通式Y0.8Sc0.2Fe2的物质量的比例称取钇、钪和铁的金属块，在电弧熔炼炉中1600℃熔炼5分钟，冷却后得到合金铸锭；
步骤S322：将得到的所述合金铸锭翻面，并重新熔融和冷却，如此反复熔炼6次。重新熔融在电弧熔炼炉中进行，熔炼温度为1600℃，熔炼时间为5分钟；
步骤S323：将获得的所述合金铸锭置于石英管中密封，并将石英管内的气压抽至5x10-5Pa；
步骤S324：将所述石英管置于1100℃的箱式电阻炉中退火5天，退火完成后随炉冷却，冷却后将石英管破碎，并从石英管中取出合金块；
步骤S325：将所述合金块于氩气保护气氛中破碎成粉末状态，得到成分均一、结构稳定的钇-钪-铁合金材料。
本实施例提供的钇-钪-铁合金材料Y0.8Sc0.2Fe2破碎成粉末后的X射线衍射图谱如图3(a)所示。从该图谱可见，退火产物相结构即为MgCu2型拉弗斯相密排结构，并且成分均一稳定。退火产物在40℃、4MPa氢压下氢化后，便可得到吸氢产物，吸氢产物的X射线衍射图谱如图3(b)所示。从该图谱可见，吸氢后的合金相结构保持不变，而衍射峰的位置整体往低角度偏移，由此说明合金吸氢后没有发生歧化反应，而且晶格常数显著增大，这是由于氢以氢原子的形式固溶在合金的晶格当中造成的。把吸氢产物在300℃下动态真空处理2h后，即可得到脱氢产物，脱氢产物的X射线衍射图谱如图3(c)所示。从该图谱可见，脱氢后衍射峰的位置较吸氢产物整体向高角度偏移，并基本回到与熔炼产物衍射峰相同的位置。由此说明氢原子从晶格中脱出，合金的晶格常数减小并回到初始状态，是一个可逆的吸放氢过程。本实施例提供的钇-钪-铁合金材料Y0.8Sc0.2Fe2的合金经多次吸放氢循环后容量衰小，具有优异的循环吸放氢性能。
实施例3
本实施例提供一种钇-钪-铁合金材料，所述钇-钪-铁合金材料的化学通式为Y0.7Sc0.3Fe2，钇-钪-铁合金材料的制备方法包括如下步骤：
步骤S331：按照所述化学通式Y0.7Sc0.3Fe2的物质量的比例称取钇、钪和铁的金属块，即钇块、钪块和铁块按质量分数33.21％、7.20％和59.60％的配比混合均匀，在电弧熔炼炉中1600℃熔炼5分钟，冷却后得到合金铸锭；
步骤S332：将得到的所述合金铸锭翻面，并重新熔融和冷却，如此反复熔炼6次。重新熔融在电弧熔炼炉中进行，熔炼温度为1600℃，熔炼时间为5分钟；
步骤S333：将获得的所述合金铸锭置于石英管中密封，并将石英管内的气压抽至5x10-5Pa；
步骤S334：将所述石英管置于1100℃的箱式电阻炉中退火5天，退火完成后随炉冷却，冷却后将石英管破碎，并从石英管中取出合金块；
步骤S335：将所述合金块于氩气保护气氛中破碎成粉末状态，得到成分均一、结构稳定的钇-钪-铁合金材料。
本实施例提供的钇-钪-铁合金材料Y0.7Sc0.3Fe2破碎成粉末后的X射线衍射图谱如图4(a)所示。从该图谱可见，退火产物相结构即为MgCu2型拉弗斯相密排结构，并且成分均一稳定。退火产物在40℃、4MPa氢压下氢化后，便可得到吸氢产物，吸氢产物的X射线衍射图谱如图4(b)所示。从该图谱可见，吸氢后的合金相结构保持不变，而衍射峰的位置整体往低角度偏移，由此说明合金吸氢后没有发生歧化反应，而且晶格常数显著增大，这是由于氢以氢原子的形式固溶在合金的晶格当中造成的。把吸氢产物在300℃下动态真空处理2h后，即可得到脱氢产物，脱氢产物的X射线衍射图谱如图4(c)所示。从该图谱可见，脱氢后衍射峰的位置较吸氢产物整体向高角度偏移，并基本回到与熔炼产物衍射峰相同的位置。由此说明氢原子从晶格中脱出，合金的晶格常数减小并回到初始状态，是一个可逆的吸放氢过程。
本实施例提供的钇-钪-铁合金材料Y0.7Sc0.3Fe2的合金吸氢动力学曲线如图5所示。从该图谱可见，本实施例提供的合金在40℃、4MPa的氢压下，能够吸收质量百分比1.85％的氢气，且经多次吸放氢循环后容量衰小，具有优异的循环吸放氢性能。本实施例提供的钇-钪-铁合金材料Y0.7Sc0.3Fe2在200℃的脱氢PCI(压力-组分-等温)曲线图如图10所示。
实施例4
本实施例提供一种钇-钪-铁合金材料，所述钇-钪-铁合金材料的化学通式为Y0.6Sc0.4Fe2，钇-钪-铁合金材料的制备方法包括如下步骤：
步骤S341：按照所述化学通式Y0.6Sc0.4Fe2的物质量的比例称取钇、钪和铁的金属块，即钇块、钪块和铁块按质量分数29.15％、9.83％和61.03％的配比混合均匀，在电弧熔炼炉中1600℃熔炼5分钟，冷却后得到合金铸锭；
步骤S342：将得到的所述合金铸锭翻面，并重新熔融和冷却，如此反复熔炼6次。重新熔融在电弧熔炼炉中进行，熔炼温度为1600℃，熔炼时间为5分钟；
步骤S343：将获得的所述合金铸锭置于石英管中密封，并将石英管内的气压抽至5x10-5Pa；
步骤S344：将所述石英管置于1100℃的箱式电阻炉中退火5天，退火完成后随炉冷却，冷却后将石英管破碎，并从石英管中取出合金块；
步骤S345：将所述合金块于氩气保护气氛中破碎成粉末状态，得到成分均一、结构稳定的钇-钪-铁合金材料。
本实施例提供的钇-钪-铁合金材料Y0.6Sc0.4Fe2破碎成粉末后的X射线衍射图谱如图6(a)所示。从该图谱可见，退火产物相结构即为MgCu2型拉弗斯相密排结构，并且成分均一稳定。退火产物在40℃、4MPa氢压下氢化后，便可得到吸氢产物，吸氢产物的X射线衍射图谱如图6(b)所示。从该图谱可见，吸氢后的合金相结构保持不变，而衍射峰的位置整体往低角度偏移，由此说明合金吸氢后没有发生歧化反应，而且晶格常数显著增大，这是由于氢以氢原子的形式固溶在合金的晶格当中造成的。把吸氢产物在300℃下动态真空处理2h后，即可得到脱氢产物，脱氢产物的X射线衍射图谱如图6(c)所示。从该图谱可见，脱氢后衍射峰的位置较吸氢产物整体向高角度偏移，并基本回到与熔炼产物衍射峰相同的位置。由此说明氢原子从晶格中脱出，合金的晶格常数减小并回到初始状态，是一个可逆的吸放氢过程。
本实施例提供的钇-钪-铁合金材料Y0.6Sc0.4Fe2的合金吸氢动力学曲线如图7所示。从该图谱可见，本实施例提供的合金在40℃、4MPa的氢压下，能够吸收质量百分比1.91％的氢气，且经多次吸放氢循环后容量衰小，具有优异的循环吸放氢性能。本实施例提供的钇-钪-铁合金材料Y0.6Sc0.4Fe2在200℃的脱氢PCI(压力-组分-等温)曲线图如图10所示。
实施例5
本实施例提供一种钇-钪-铁合金材料，所述钇-钪-铁合金材料的化学通式为Y0.5Sc0.5Fe2，钇-钪-铁合金材料的制备方法包括如下步骤：
步骤S351：按照所述化学通式Y0.5Sc0.5Fe2的物质量的比例称取钇、钪和铁的金属块，即钇块、钪块和铁块按质量分数24.89％、12.58％和62.53％的配比混合均匀，在电弧熔炼炉中1600℃熔炼5分钟，冷却后得到合金铸锭；
步骤S352：将得到的所述合金铸锭翻面，并重新熔融和冷却，如此反复熔炼6次。重新熔融在电弧熔炼炉中进行，熔炼温度为1600℃，熔炼时间为5分钟；
步骤S353：将获得的所述合金铸锭置于石英管中密封，并将石英管内的气压抽至5x10-5Pa；
步骤S354：将所述石英管置于1100℃的箱式电阻炉中退火5天，退火完成后随炉冷却，冷却后将石英管破碎，并从石英管中取出合金块；
步骤S355：将所述合金块于氩气保护气氛中破碎成粉末状态，得到成分均一、结构稳定的钇-钪-铁合金材料。
本实施例提供的钇-钪-铁合金材料Y0.5Sc0.5Fe2破碎成粉末后的X射线衍射图谱如图8(a)所示。从该图谱可见，退火产物相结构即为MgCu2型拉弗斯相密排结构，并且成分均一稳定。退火产物在40℃、4MPa氢压下氢化后，便可得到吸氢产物，吸氢产物的X射线衍射图谱如图8(b)所示。从该图谱可见，吸氢后的合金相结构保持不变，而衍射峰的位置整体往低角度偏移，由此说明合金吸氢后没有发生歧化反应，而且晶格常数显著增大，这是由于氢以氢原子的形式固溶在合金的晶格当中造成的。把吸氢产物在300℃下动态真空处理2h后，即可得到脱氢产物，脱氢产物的X射线衍射图谱如图8(c)所示。从该图谱可见，脱氢后衍射峰的位置较吸氢产物整体向高角度偏移，并基本回到与熔炼产物衍射峰相同的位置。由此说明氢原子从晶格中脱出，合金的晶格常数减小并回到初始状态，是一个可逆的吸放氢过程。
本实施例提供的钇-钪-铁合金材料Y0.5Sc0.5Fe2的合金吸氢动力学曲线如图9所示。从该图谱可见，本实施例提供的合金在40℃、4MPa的氢压下，能够吸收质量百分比1.94％的氢气，且经多次吸放氢循环后容量衰小，具有优异的循环吸放氢性能。本实施例提供的钇-钪-铁合金材料Y0.5Sc0.5Fe2在200℃的脱氢PCI(压力-组分-等温)曲线图如图10所示，钇-钪-铁合金材料Y0.5Sc0.5Fe2在180℃的脱氢PCI(压力-组分-等温)曲线图如图11所示，由该图谱可知，钇-钪-铁合金材料Y0.5Sc0.5Fe2能够实现完全可逆的吸放过程。
实施例6
本实施例提供一种钇-钛-钪-铁合金材料，所述钇-钪-铁合金材料的化学通式为Y0.4Ti0.1Sc0.5Fe2，钇-钛-钪-铁合金材料的制备方法包括如下步骤：
步骤S361：按照所述化学通式Y0.4Ti0.1Sc0.5Fe2的物质量的比例称取钇、钪和铁的金属块混合均匀，在电弧熔炼炉中1600℃熔炼5分钟，冷却后得到合金铸锭；
步骤S362：将得到的所述合金铸锭翻面，并重新熔融和冷却，如此反复熔炼6次。重新熔融在电弧熔炼炉中进行，熔炼温度为1600℃，熔炼时间为5分钟；
步骤S363：将获得的所述合金铸锭置于石英管中密封，并将石英管内的气压抽至5x10-5Pa；
步骤S364：将所述石英管置于1100℃的箱式电阻炉中退火5天，退火完成后随炉冷却，冷却后将石英管破碎，并从石英管中取出合金块；
步骤S365：将所述合金块于氩气保护气氛中破碎成粉末状态，得到成分均一、结构稳定的钇-钛-钪-铁合金材料。
本实施例提供的钇-钛-钪-铁合金材料Y0.4Ti0.1Sc0.5Fe2破碎成粉末后的X射线衍射图谱如图12(a)所示。从该图谱可见，退火产物相结构即为MgCu2型拉弗斯相密排结构，并且成分均一稳定。退火产物在40℃、4MPa氢压下氢化后，便可得到吸氢产物，吸氢产物的X射线衍射图谱如图12(b)所示。从该图谱可见，吸氢后的合金相结构保持不变，而衍射峰的位置整体往低角度偏移，由此说明合金吸氢后没有发生歧化反应，而且晶格常数显著增大，这是由于氢以氢原子的形式固溶在合金的晶格当中造成的。把吸氢产物在300℃下动态真空处理2h后，即可得到脱氢产物，脱氢产物的X射线衍射图谱如图12(c)所示。从该图谱可见，脱氢后衍射峰的位置较吸氢产物整体向高角度偏移，并基本回到与熔炼产物衍射峰相同的位置。由此说明氢原子从晶格中脱出，合金的晶格常数减小并回到初始状态，是一个可逆的吸放氢过程。
本实施例提供的钇-钛-钪-铁合金材料Y0.4Ti0.1Sc0.5Fe2的合金吸氢动力学曲线如图14所示。从该图谱可见，本实施例提供的合金在40℃、4MPa的氢压下，能够吸收质量百分比1.71％的氢气，且经多次吸放氢循环后容量衰小，具有优异的循环吸放氢性能。本实施例提供的钇-钛-钪-铁合金材料Y0.4Ti0.1Sc0.5Fe2在200℃的脱氢PCI(压力-组分-等温)曲线图如图15所示。与钇-钪-铁合金材料相比，该合金材料的脱氢平压被进一步升高，脱氢性能被进一步改善。
实施例7
本实施例提供一种钇-钛-钪-铁合金材料，所述钇-钪-铁合金材料的化学通式为Y0.3Ti0.2Sc0.5Fe2，钇-钛-钪-铁合金材料的制备方法包括如下步骤：
步骤S371：按照所述化学通式Y0.3Ti0.2Sc0.5Fe2的物质量的比例称取钇、钪和铁的金属块混合均匀，在电弧熔炼炉中1600℃熔炼5分钟，冷却后得到合金铸锭；
步骤S372：将得到的所述合金铸锭翻面，并重新熔融和冷却，如此反复熔炼6次。重新熔融在电弧熔炼炉中进行，熔炼温度为1600℃，熔炼时间为5分钟；
步骤S373：将获得的所述合金铸锭置于石英管中密封，并将石英管内的气压抽至5x10-5Pa；
步骤S374：将所述石英管置于1100℃的箱式电阻炉中退火5天，退火完成后随炉冷却，冷却后将石英管破碎，并从石英管中取出合金块；
步骤S375：将所述合金块于氩气保护气氛中破碎成粉末状态，得到成分均一、结构稳定的钇-钛-钪-铁合金材料。
本实施例提供的钇-钛-钪-铁合金材料Y0.3Ti0.2Sc0.5Fe2破碎成粉末后的X射线衍射图谱如图13(a)所示。从该图谱可见，熔炼产物(即退火产物)为两相结构，分别为MgCu2型拉弗斯相和MgZn2拉弗斯相密排结构。退火产物在100℃，4MPa氢压下氢化后，便可得到吸氢产物，吸氢产物的X射线衍射图谱如图13(b)所示。从该图谱可见，衍射峰的位置整体往低角度偏移，晶格常数显著增大，并且合金吸氢后没有发生歧化反应。把吸氢产物在300℃下动态真空处理2h后，即可得到脱氢产物，脱氢产物的X射线衍射图谱如图13(c)所示。从该图谱可见，脱氢后衍射峰的位置基本回到与熔炼产物衍射峰相同的位置。由此说明氢原子从晶格中脱出，合金的晶格常数减小并回到初始状态，是一个可逆的吸放氢过程。
本实施例提供的钇-钛-钪-铁合金材料Y0.3Ti0.2Sc0.5Fe2的合金吸氢动力学曲线如图14所示。从该图谱可见，本实施例提供的合金在40℃、4MPa的氢压下，能够吸收质量百分比1.62％的氢气，且经多次吸放氢循环后容量衰小，具有优异的循环吸放氢性能。本实施例提供的钇-钛-钪-铁合金材料Y0.3Ti0.2Sc0.5Fe2在200℃的脱氢PCI(压力-组分-等温)曲线图如图15所示，与钇-钪-铁合金材料相比，该合金材料的脱氢平压被进一步升高，脱氢性能被进一步改善。不同温度下的吸氢、脱氢PCI曲线图如图16所示，由该图谱可知，钇-钛-钪-铁合金材料Y0.3Ti0.2Sc0.5Fe2在120℃下能够实现完全可逆的吸放过程。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种钇-钛-钪-铁合金材料的制备方法，其特征在于，所述钇-钛-钪-铁合金材料的化学通式为Y1-x-yTiyScxFe2，其中，x为0.1、0.3或0.5，y为0.1、0.15或0.2，所述制备方法包括以下步骤：
按照所述化学通式的物质量的比例称取钇、钛、钪和铁的金属块体材料进行混合，在温度高于1600℃的条件下熔炼，冷却后得到合金铸锭；
将获得的所述合金铸锭置于退火容器中密封，并将所述退火容器抽至真空状态；
将所述退火容器置于预设条件下退火，冷却后从所述退火容器中取出合金块；
将所述合金块破碎成粉末状态，得到钇-钛-钪-铁合金材料；
其中，所述将所述退火容器置于预设条件下退火的具体过程包括：将所述退火容器置于箱式电阻炉内进行高温退火，退火温度不高于1100℃，退火时间为3-5天。
2.如权利要求1所述的钇-钛-钪-铁合金材料的制备方法，其特征在于，所述在温度高于1600℃的条件下熔炼的具体过程包括：在温度为1600-1800℃的电弧熔炼炉中反复熔炼多次，每次熔炼时间为3-10分钟。
3.如权利要求2所述的钇-钛-钪-铁合金材料的制备方法，其特征在于，所述在温度为1600-1800℃的电弧熔炼炉中反复熔炼多次步骤中，在电弧熔炼炉中熔炼时的真空度为7.0×10-4-1.0×10-3Pa。
4.如权利要求2所述的钇-钛-钪-铁合金材料的制备方法，其特征在于，所述在温度为1600-1800℃的电弧熔炼炉中反复熔炼多次步骤中，将每次熔炼得到的合金铸锭翻面后重新熔融和冷却，反复熔炼多次。
5.如权利要求1所述的钇-钛-钪-铁合金材料的制备方法，其特征在于，所述将所述退火容器抽至真空状态的具体过程包括：用油扩散泵将所述退火容器抽至真空度为5.0×10-5-1.0×10-4Pa。
6.根据权利要求1所述的钇-钛-钪-铁合金材料的制备方法，其特征在于，所述将所述合金块破碎成粉末状态的具体过程包括：将所述合金块置于惰性气体的保护气氛中进行破碎，得到具有拉弗斯相结构的钇-钛-钪-铁合金材料。
7.如权利要求1所述的钇-钛-钪-铁合金材料的制备方法制备得到的钇-钛-钪-铁合金材料的应用，其特征在于，所述钇-钛-钪-铁合金材料作为储氢材料或用于制造镍氢电池。
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