CN112624038A - 一种调控Mg-Y-Zn镁合金储氢性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于镁合金储氢领域，涉及一种通过调制镁合金切屑形貌来调控其储氢性能的方法。该镁合金是由Mg、Y、Zn三种元素组成，以Mg相为主，还有少量的长周期堆垛结构（LPSO）分散在合金中。首先通过半连续铸造方法得到铸态块体镁合金，随后采用目数相同但截面形状不同的扁平、圆弧和三角形锉刀对块体合金进行锉削，将所得切屑进行过筛，最终得到具有不同切屑形貌的镁基储氢合金样品。在360℃温度下，扁平、圆弧和三角形锉刀锉削的切屑在25min内吸氢量分别达6.2wt%、5.9wt%和5.7wt%，在该温度下30min内三种切屑的放氢量均可达7.0wt%左右，且放氢速率由快到慢依次为圆弧、三角形、扁平锉刀锉削的切屑；此外，这些切屑也具有较强的抗氧化性能。本发明所涉及的镁基储氢合金切屑制备工艺简单，操作方便，是一种可宏量制备镁基储氢粉体并实现其形貌与性能调控的方法，具有广泛的应用前景。

Description

一种调控Mg-Y-Zn镁合金储氢性能的方法
技术领域
本发明属于镁合金储氢领域，尤其是一种调控Mg-Y-Zn镁合金储氢性能的方法。
背景技术
随着世界经济规模的不断扩大，人类对于能源的需求也日益剧增。当今在全球范围内的能源供给主要还是依靠化石资源，但是随之产生了两个主要的问题：环境污染和能源枯竭，这严重限制了人类的生存和发展，所以亟需寻找和开发新能源。氢能被誉为21世界清洁能源，并且具有无污染、热量高、储量丰富等优点，但氢的安全高效储存仍面临较大挑战。由于镁具有储量丰富、成本低以及安全性高等优点，被视为最适合作为氢的储存介质之一。然而，镁基储氢合金存在放氢温度高、吸放氢速率慢、可逆循环性能差等缺点，从而限制了其应用。虽然经过几十年的研究，镁基储氢合金的储氢性能得到很大改善，但离实际应用仍有很大差距。
合金化可显著降低镁基储氢合金的热力学稳定性，是降低放氢温度的有效方法之一。但是，由于铸造出来的合金为块体，要作为储氢材料应用，必须将块体粉碎成细小的颗粒。迄今为止，将块体粉碎的方法有机械粉碎、机械球磨以及人工锉削等。有研究表明使用锉刀不仅可以加快合金的吸放氢速率，还可以提高合金的抗氧化性，是一种有望将来大批量制备储氢材料的方法之一。
然而关于这方面的研究并不够深入，并没有研究者关注锉刀横截面形状对切屑形貌及其储氢性能的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用截面形状不同的锉刀锉削Mg-Y-Zn镁合金，通过调制不同形貌的切屑进而实现调控其储氢性能。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
1. 将纯镁、纯锌和中间合金Mg-30%Y(wt%)按照一定的比例进行熔炼；
2. 利用半连续铸造的方法制备出铸态Mg98.5Y1Zn0.5合金；
3. 使用砂纸去除铸锭表面的氧化层；
4. 使用目数相同但截面形状不同的金刚石锉刀对块状合金在空气中进行人工或机械挫削；
5. 将几种不同的切屑用200~400目筛子进行过筛，得到储氢合金样品，随后在手套箱中保存；
6. 由于金刚石锉刀截面形状不同，得到的几种切屑具有不同的尺寸大小和微观形貌，这些因素共同导致了几种切屑储氢性能不同。在360℃温度下，扁平、圆弧和三角形锉刀锉削的切屑在25min内吸氢量分别达6.2wt%、5.9wt%和5.7wt%，并且在该温度下30min内三种切屑的放氢量均可达7.0wt%左右，放氢速率由快到慢依次为圆弧、三角形、扁平锉刀锉削的切屑。
附图说明
图1为发明实施例中截面分别为扁平、三角形以及圆弧形状的金刚石锉刀，(a)为三种锉刀截面示意图，(b)为三种锉刀实物图。
图2为发明实施例中分别采用扁平、三角形以及圆弧截面形状锉刀锉削切屑的SEM以及EDS图，(a)为圆弧锉刀切屑的SEM图，(d)为(a)中的局部放大图，(g)为圆弧锉刀切屑的EDS图；(b)为三角形锉刀切屑的SEM图，(e)为(b)中的局部放大图，(h)为三角形切屑的EDS图；(c)为扁平锉刀切屑的SEM图，(f)为(c)中的局部放大图，(i)为扁平锉刀切屑的EDS图。
图3为发明实施例中分别采用扁平、三角形以及圆弧截面形状锉刀锉削切屑的XRD图。
图4为发明实施例中分别采用扁平、三角形以及圆弧截面形状锉刀锉削切屑的三次活化吸放氢曲线，(a) (b)为第一次活化曲线；(c) (d)为第二次活化曲线；(e) (f)为第三次活化曲线。
图5为发明实施例中分别采用扁平、三角形以及圆弧截面形状锉刀锉削切屑在不同温度下的等温吸放氢曲线，(a) (b)为360℃下的吸放氢曲线；(c) (d)为320℃下的吸放氢曲线；(e)(f)为280℃下的吸放氢曲线。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明的具体实施做进一步详细描述。
本发明提供的利用不同截面形状的锉刀调控镁合金切屑形貌及其储氢性能的方法，主要按照下述步骤实现：
(1) 对纯镁(99.99%)、纯锌(99.99%)以及中间合金Mg-30%Y(wt%)进行熔炼，随后利用半连续铸造的方法制备出铸态Mg98.5Y1Zn0.5合金；
(2) 用砂纸去除铸锭表面的氧化层；
(3) 使用目数相同截面形状不同的金刚石锉刀对块状合金在空气中进行人工或机械锉削；
(4) 将几种不同的切屑用200~400目筛子进行过筛，得到储氢合金样品，随后在手套箱中保存。
实施例：
将纯镁(99.99%, wt%)，纯锌(99.99%, wt%)和中间合金Mg-30%Y(wt%)按照一定的质量比进行熔炼，随后通过半连续铸造的方法制备出铸态Mg98.5Y1Zn0.5合金。使用320目的砂纸去除铸锭表面的氧化层。打磨干净后用如图1所示的三种锉刀（圆弧锉刀、三角形锉刀和扁平锉刀分别标记为A、T和F）在空气中对其进行锉削，将得到的切屑用200目的筛网进行过筛，为最终用来储氢性能测试的样品。三种切屑的形态如图2所示，切屑的长度从大到小依次为三角形、扁平、圆弧锉刀锉削的切屑，锯齿状密度从大到小依次为三角形、圆弧、扁平锉刀锉削的切屑。图3为三种切屑的XRD，由于切屑中LPSO相的含量相对较少，因此，未能检测到，三种切屑均表现为Mg相。在三种切屑等温吸放氢前，需要进行活化处理，如图4所示。在400℃温度下，氢压为3MPa下吸氢3.5小时，氢压为0.0005MPa下放氢1小时，如此循环三次。完全活化后，三种切屑在360℃、320℃和280℃下进行等温吸放氢处理，如图5所示。几种样品的吸放氢速率有所差异，在360℃温度下，扁平、圆弧和三角形锉刀锉削的切屑在25min内吸氢量分别达6.2wt%、5.9wt%和5.7wt%，并且在此温度下30min内三种切屑的放氢量均可达7.0wt%左右，放氢速率由快到慢依次为圆弧、三角形、扁平锉刀锉削的切屑。

Claims (6)

1.一种调控Mg-Y-Zn镁合金储氢性能的方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1) 将纯镁(99.99%)，纯锌(99.99%)以及中间合金Mg-30%Y(wt%)三种原材料按照一定质量比进行熔炼，随后利用半连续铸造方法制备铸态Mg-Y-Zn合金；
(2) 使用砂纸去除块体Mg-Y-Zn合金表面的氧化层；
(3) 使用几种目数相同但截面形状不同的锉刀对该块体Mg-Y-Zn合金进行锉削；
(4) 将所得到的切屑用筛子进行筛选，去除尺寸较大的切屑，获得最终储氢合金样品。
2.如权利要求1所述调控Mg-Y-Zn镁合金储氢性能的方法，其特征在于：锉削方式为人工锉削或机械锉削。
3.如权利要求1所述调控Mg-Y-Zn镁合金储氢性能的方法，其特征在于：所用的锉刀为圆弧、三角形和扁平三种金刚石锉刀，锉刀大小尺寸为：长为200~400mm，宽为10~30mm。
4.如权利要求1所述调控Mg-Y-Zn镁合金储氢性能的方法，其特征在于：锉削可在空气中进行，所得切屑具有较强的抗氧化性能。
5.如权利要求1所述调控Mg-Y-Zn镁合金储氢性能的方法，其特征在于：锉削后得到的几种切屑在尺寸、形貌上有所差异，从而导致其储氢性能不同，在360℃温度下，扁平、圆弧和三角形锉刀锉削的切屑在25min内吸氢量分别达6.2wt%、5.9wt%和5.7wt%，并且在该温度下30min内三种切屑的放氢量均可达7.0wt%左右，放氢速率由快到慢依次为圆弧、三角形、扁平锉刀锉削的切屑。
6.如权利要求1所述调控Mg-Y-Zn镁合金储氢性能的方法，其特征在于：基于锉刀形状、切屑形貌及其储氢性能间的内在关联，可实现对Mg-Y-Zn及其它镁合金储氢性能的有效调控。
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