儲(chǔ)氫料和梯功能材料

第一節(jié)功能梯度材料梯度功能材料概念的提出是應(yīng)航天航空的需要，能在極限環(huán)境下正常工作而發(fā)展起來(lái)的一種新型功能材料。由日本人-新野正之、平井敏雄于1986年首先提出的。梯度功能材料(functionallygradientmaterials，縮寫(xiě)FGM)是兩種或多種材料復(fù)合成組分和結(jié)構(gòu)呈連續(xù)梯度變化的一種新型復(fù)合材料；它要求功能、性能隨內(nèi)部位置的變化而變化，實(shí)現(xiàn)功能梯度的材料。目前一頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)功能梯度材料作為一個(gè)規(guī)范化正式概念，于1984年由日本國(guó)立宇航實(shí)驗(yàn)室提出。航天飛機(jī)中，燃燒室內(nèi)外表面溫差達(dá)到1000K以上，普通的金屬材料難以滿足這種苛刻的使用環(huán)境。航天飛機(jī)飛行時(shí)預(yù)想的表面溫度目前二頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)梯度功能材料主要特征有：材料的組分和結(jié)構(gòu)呈連續(xù)性梯度變化；材料內(nèi)部沒(méi)有明顯的界面；材料的性質(zhì)也呈連續(xù)性梯度變化。ZrO2-CrNi合金FGM橫截面，白色的陶瓷粉末與黑色的合金粉末含量呈連續(xù)性梯度變化，沒(méi)有明顯的界面，目前三頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)1987年，日本平井敏雄、新野正之和渡邊龍三人提出使金屬和陶瓷復(fù)合材料的組分、結(jié)構(gòu)和性能呈連續(xù)變化的熱防護(hù)梯度功能材料的概念。1990年，日本召開(kāi)第一屆梯度功能材料國(guó)際研討會(huì)。梯度復(fù)合管目前四頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)1993年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所開(kāi)始以“開(kāi)發(fā)超高溫耐氧化保護(hù)涂層”為目標(biāo)進(jìn)行梯度功能材料研究。通過(guò)改變復(fù)合兩相的配制，在復(fù)合材料內(nèi)部形成精細(xì)的構(gòu)造梯度。1995年德國(guó)發(fā)起一項(xiàng)六年國(guó)家協(xié)調(diào)計(jì)劃，主要研究功能梯度材料的制備。梯度功能材料已經(jīng)發(fā)展成為當(dāng)前結(jié)構(gòu)材料和功能材料研究領(lǐng)域中的重要主題之一。摩擦升溫后，梯度材料變化較小，普通材料則變成蘭紫色目前五頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)竹子是一種典型的梯度功能材料，人類和動(dòng)物身體中的骨骼也是一種梯度材料，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)中的最強(qiáng)單元承受最高的應(yīng)力。生物的梯度結(jié)構(gòu)與人造梯度結(jié)構(gòu)之間存在很大差異。有生命的FGM是“智能的”，它們能感受所處環(huán)境的變化(包括局部應(yīng)力集中)，產(chǎn)生相應(yīng)的結(jié)構(gòu)修改，而人造梯度材料至少在目前還缺乏這種功能。目前六頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)越王勾踐劍深埋地下2400多年，1965年冬出土?xí)r依舊寒光逼人，鋒利無(wú)比。1977年12月，復(fù)旦大學(xué)與中科院等對(duì)劍進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)。主要成分是銅、錫及少量的鋁、鐵、鎳、硫。劍的各個(gè)部位銅和錫的比例不一。劍脊含銅較多，韌性好，不易折斷；刃部含錫高，硬度大，使劍非常鋒利；花紋處含硫高，硫化銅可防銹蝕。形成了良好的成分梯度。目前七頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)梯度材料與復(fù)合材料的區(qū)別材料復(fù)合材料梯度材料設(shè)計(jì)思想組分優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合特殊功能為目標(biāo)組織結(jié)構(gòu)0.1m-1m10nm-10mm結(jié)合方式分子間力分子間力/物理鍵/化學(xué)鍵微觀組織非均質(zhì)均質(zhì)/非均質(zhì)宏觀組織均質(zhì)非均質(zhì)功能一致梯度化目前八頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)梯度功能材料分類

1）組合方式上分： 金屬/金屬 金屬／陶瓷、 金屬／非金屬、 陶瓷／陶瓷、 陶瓷／非金屬 非金屬／塑料 目前九頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)2）組成變化上分：

（1）梯度功能整體型(從一側(cè)到另一側(cè)組成梯度變化)（2）梯度功能涂履型(涂層的組成梯度變化)（3）梯度功能連接型(粘接接縫的組成梯度變化)3）功能上分：

（1）熱防護(hù)梯度功能材料（2）折射率梯度功能材料目前十頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)梯度功能材料的制備方法

目前十一頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)梯度功能材料的制備技術(shù)和方法，綜合了超細(xì)、超微細(xì)粉、均質(zhì)或非均質(zhì)復(fù)合材樹(shù)等微觀結(jié)構(gòu)控制技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)。化學(xué)氣相沉積法(CVD)物理蒸鍍法(PVD)等離子噴涂法(PS)自蔓延高溫合成法(SHS)粉末冶金法激光熔覆法化學(xué)氣相滲透法(CVI)電解析出法等目前十二頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)化學(xué)氣相沉積法兩種氣相物質(zhì)在反應(yīng)器中均勻混合，在一定條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使生成的固相物質(zhì)在基板上沉積以制備FGM的方法。CVD法可通過(guò)選擇合成溫度、調(diào)節(jié)原料氣流量和壓力等來(lái)控制FGM各組元的成分和結(jié)構(gòu)，而且可鍍復(fù)雜形狀的表面；沉積面光滑致密，沉積率高，成為制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)的FGM涂層關(guān)鍵技術(shù)之一。CVD工藝原理圖目前十三頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)將含金屬/非金屬鹵化物的原料氣體進(jìn)行均勻混合，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)，使生成物沉積在基板上。目前，己用CVD法制備出厚度為0.4-2mm的SiC/C、TiC/C、SiC/TiC、A1/C系FGM。化學(xué)沉積系統(tǒng)化學(xué)沉積立方ZrO2/C梯度材料目前十四頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)物理蒸鍍法PVD法可制備多層不同物質(zhì)的膜；PVD法得到的膜較薄，每層膜是單純某物系；目前已制出TiC/Ti、TiN/Ti、CrN/Cr、TiAlN/Ti和SiC/C/TiN等多層梯度功能材料。PVD鍍膜器件目前十五頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)等離子噴涂法等離子體噴涂能同時(shí)熔化難熔相和金屬，通過(guò)控制兩種粉末的相對(duì)供給速率來(lái)預(yù)先設(shè)置混合比率。使用粉末作為噴涂材料，以氦氣、氬氣等氣體為載體，吹入高溫等離子體射流。等離子體射流把能量傳遞給顆粒，粉末被熔融后進(jìn)一步加速，高速?zèng)_撞在基材表面形成涂層。高速使顆粒撞到固體基底上時(shí)變得相當(dāng)扁平，使涂層具有相對(duì)低的孔隙率。等離子噴涂目前十六頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)等離子噴涂適合形狀復(fù)雜表面的梯度涂覆加工。在基板上噴涂單層NiCr合金粉末；再用10%ZrO2粉和90％NiCr合金粉末噴涂；在配料中逐步減少合金粉末；最后用100％ZrO2粉末噴涂。此技術(shù)已用于飛機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和相關(guān)材料的表面改性，材料表面能承受1100-1300℃的高溫，內(nèi)外側(cè)溫差達(dá)到500-600℃。日本采用等離子噴涂技術(shù)噴涂ZrO2/Y2O陶瓷粉末和Ni-Cr-Al-Y合金粉末，形成梯度涂層，明顯提高基體金屬的隔熱性和耐熱疲勞性。目前十七頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)自蔓延高溫合成法該法的特點(diǎn)最適合于生成熱大的化合物的合成．如AlN、TiC、TiB2等。自蔓延高溫合成自蔓延合成材料目前十八頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)日本采用連續(xù)成型的電磁加壓自蔓延技術(shù)合成TiB2/Cu、TiC/Ni等梯度功能材料。我國(guó)采用爆炸壓實(shí)自蔓延高溫合成技術(shù)制備了Al2O3/Ti系梯度功能材料，組織結(jié)構(gòu)呈梯度變化，理論密度提高到94%。目前十九頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)顆粒梯度排列法將金屬、陶瓷等粉末按一定梯度分布直接填充到模具中加壓燒結(jié)；也可將不同組分粉末壓成薄膜/片后進(jìn)行疊層燒結(jié)?？刂聘鹘M分混合比，使壓后的粉坯梯度層間任一組分濃度變化較小，梯度層間接合緊密。調(diào)節(jié)粉末粒度分布和燒結(jié)工藝，可得良好熱應(yīng)力緩和的梯度功能材料。通過(guò)粉末混合燒結(jié)形成的FGM結(jié)構(gòu)示意圖目前二十頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)日本東北大學(xué)采用金屬顆粒層-中間過(guò)渡顆粒層-陶瓷顆粒層的梯度模型，耐高溫一側(cè)采用氧化物、氮化物和碳化物耐熱陶瓷顆粒，在低溫側(cè)采用比強(qiáng)度高的Al、Ti合金顆?；螂y熔金屬W、Mo和導(dǎo)熱性好的Cu、Ni、Co等顆粒，中間層為金屬和陶瓷顆粒，其組成濃度按一定梯度分布調(diào)制。由于中間層的存在，緩和了熱應(yīng)力，解決了金屬和陶瓷結(jié)合不牢和易開(kāi)裂的問(wèn)題。目前二十一頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)TiC-TI3SIC2材料制備目前二十二頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)激光熔覆把材料A放到基底B表面上，用激光將其與B基體中表面薄層一起熔化，在B表面形成B合金化的A層。重復(fù)操作，在B表面產(chǎn)生B含量逐漸減少的梯度。梯度變化可通過(guò)控制初始A層的數(shù)量、厚度及熔區(qū)深度來(lái)獲得。激光熔覆將材料A合金化到材料B制備FGM示意圖目前二十三頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)功能梯度材料的應(yīng)用目前二十四頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)航天工業(yè)航天飛機(jī)在往返大氣層的過(guò)程中，機(jī)頭前端和機(jī)翼前沿服役溫度約2000K，冷表面的溫度低于1000K。把直徑為1~1.5m的高純石英纖維加壓成型，1290℃燒成后再按要求切成外形不同、大小不等的“磚塊”，粘貼到航天飛機(jī)蒙皮上。這種復(fù)合材料防熱系統(tǒng)的重復(fù)使用性、可靠性等存在很大問(wèn)題。發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)的陶瓷熱防護(hù)盔甲目前二十五頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)2003年2月1日，“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)爆炸，原因就是這架航天飛機(jī)左翼在起飛時(shí)遭到從燃料箱上脫落的泡沫絕緣材料撞擊，造成機(jī)體表面隔熱保護(hù)層出現(xiàn)了大面積松動(dòng)和破損，形成可讓“熱氣進(jìn)入的空洞”，返航途中因超高溫空氣入侵而徹底解體。起飛時(shí)燃料箱上的脫落物擊中機(jī)翼飛機(jī)的左翼上有兩條清晰的裂紋

目前二十六頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)在兩種表面按照基體/陶瓷比率設(shè)計(jì)具有梯度的金屬基或碳基復(fù)合結(jié)構(gòu)可解決上述問(wèn)題。設(shè)計(jì)梯度熱防護(hù)功能材料目前二十七頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)90年代初，日本開(kāi)發(fā)了為小動(dòng)力火箭燃燒器和熱遮蔽材料用的梯度功能材料，目前已研制出能耐1700℃的ZrO2/Ni梯度功能材料，用作馬赫數(shù)大于20的并可重復(fù)使用的航天飛機(jī)機(jī)身材料?？仗祜w機(jī)高速飛行時(shí)機(jī)身和機(jī)翼的溫度也高達(dá)上千K，只能采用熱防護(hù)梯度材料解決熱應(yīng)力問(wèn)題。梯度功能材料也可用于普通飛機(jī)的噴氣燃燒器。空天飛機(jī)火箭燃燒室目前二十八頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)在艦船甲板上可采用含熱障的、抗摩擦或抗沖擊的梯度功能材料涂層，或設(shè)計(jì)連續(xù)增強(qiáng)纖維排列的逐級(jí)梯度，顯著提高它們的缺口阻力，抑制微觀裂紋擴(kuò)張，大幅改善甲板的抗高應(yīng)變速率變形和沖擊性能，對(duì)艦船的防護(hù)及搭載飛行器具有重要意義。航空母艦甲板船舶工業(yè)目前二十九頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)為對(duì)柴油機(jī)或汽油機(jī)活塞頭進(jìn)行熱保護(hù)，需在鋼基底上噴涂厚度大于2mm的ZrO2涂層。如果直接在金屬上覆蓋陶瓷，在構(gòu)件投入使用前就會(huì)導(dǎo)致界面脫層。通過(guò)覆蓋一些陶瓷含量不斷增加的金屬-陶瓷復(fù)合梯度涂層，可保證涂層力學(xué)完整性，保護(hù)活塞。柴油機(jī)活塞頭汽油機(jī)活塞頭汽車工業(yè)目前三十頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)能源工業(yè)核反應(yīng)堆內(nèi)壁溫度高達(dá)數(shù)千K，其內(nèi)壁材料采用單純雙層結(jié)構(gòu)，熱傳導(dǎo)不好，孔洞較多，熱應(yīng)力下有剝離傾向。采用金屬/陶瓷結(jié)合的梯度材料，能消除熱傳遞及熱膨脹引起的應(yīng)力，解決界面問(wèn)題，可替代目前不銹鋼/陶瓷復(fù)合材料。核反應(yīng)堆目前三十一頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)固體氧化物燃料電池堆的新型設(shè)計(jì)是采用金屬/陶瓷的多層梯度結(jié)構(gòu)，它們與金屬整體互連。組分梯度性過(guò)渡可有效減小電池充放電對(duì)電極材料引起的微觀應(yīng)力，延長(zhǎng)電池使用壽命，有效降低成本，簡(jiǎn)化制造。燃料電池目前三十二頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)光學(xué)器件工業(yè)梯度功能材料推動(dòng)一個(gè)新的光學(xué)分支-梯度折射率光學(xué)的形成，在光學(xué)器件中有大量應(yīng)用。梯度折射率透鏡體積小、焦距短、消像差性好，組成的光學(xué)系統(tǒng)可大大減少非球面組件數(shù)，簡(jiǎn)化光學(xué)器件結(jié)構(gòu)。梯度折射率光纖可以自聚焦，提高耦合效率。梯度折射透鏡棒透鏡目前三十三頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)下表列出了梯度折射光學(xué)材料的一些應(yīng)用例子。光學(xué)器件系統(tǒng)設(shè)計(jì)或應(yīng)用的例子成像系統(tǒng)準(zhǔn)直透鏡、施密特校正鏡、攝影透鏡、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡復(fù)印機(jī)系統(tǒng)棒透鏡系列內(nèi)窺鏡系統(tǒng)醫(yī)用內(nèi)窺鏡光通信系統(tǒng)自聚焦光纖、連接器、分路器、光開(kāi)關(guān)、光衰減器、光波導(dǎo)器件、激光二極管光盤(pán)系統(tǒng)拾音透鏡、拾像透鏡光計(jì)算機(jī)系統(tǒng)微型光學(xué)元件梯度折射率材料的應(yīng)用目前三十四頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)生物醫(yī)學(xué)工業(yè)羥基磷灰石(HA)陶瓷和鈦或Ti-6Al-4V合金組成的梯廢功能材料可作為仿生人工關(guān)節(jié)和牙齒。HA是生物相容性優(yōu)良的生物活性陶瓷，鈦及其合金生物相容性也很好，強(qiáng)度高，人造牙的齒根外表采用耐磨性優(yōu)良的HA陶瓷，內(nèi)部采用可承受較大變形的鈦或Ti-6Al-4V合金。梯度功能材料制成的人造牙目前三十五頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)HA含量從外表面到內(nèi)表面逐漸減少，形成HA-玻璃-鈦功能梯度復(fù)合材料。燒結(jié)后特別適于植入人體，在保證良好的生物相容性的同時(shí)提供一定的支撐強(qiáng)度，還可以顯著提高牙齒的缺口阻力，抑制微觀裂紋損傷。HA-玻璃-鈦功能梯度復(fù)合材料截面示意圖目前三十六頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)電子材料PZT壓電陶瓷廣泛用于制造超聲波振子、陶瓷濾波器等電子元件，但其在溫度穩(wěn)定性和失真振蕩方面存在一定問(wèn)題。通過(guò)調(diào)整材料組成，使其梯度化，就能使壓電系數(shù)和溫度系數(shù)等得到最恰當(dāng)?shù)姆峙?，提高壓電器件的性能和壽命。壓電陶瓷器件目前三十七?yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)第二節(jié)儲(chǔ)氫材料

1、能源危機(jī)與環(huán)境問(wèn)題化石能源的有限性與人類需求的無(wú)限性－石油、煤炭等主要能源將在未來(lái)數(shù)十年至數(shù)百年內(nèi)枯竭?。。。萍既?qǐng)?bào)，2004年2月25日，第二版）化石能源的使用正在給地球造成巨大的生態(tài)災(zāi)難－溫室效應(yīng)、酸雨等嚴(yán)重威脅地球動(dòng)植物的生存?。?！人類的出路何在？－新能源研究勢(shì)在必行?。∧壳叭隧?yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)2、氫能的特點(diǎn)氫是自然界中最普遍的元素，資源無(wú)窮無(wú)盡－不存在枯竭問(wèn)題氫的燃燒值高，燃燒產(chǎn)物是水－零排放，無(wú)污染

，可循環(huán)利用氫的燃燒能以高效和可控的方式進(jìn)行氫能的利用途徑多－燃燒放熱或電化學(xué)發(fā)電氫的儲(chǔ)運(yùn)方式多－氣體、液體、固體或化合物目前三十九頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)如果進(jìn)一步用太陽(yáng)能以海水制氫，則可實(shí)現(xiàn)無(wú)公害能源系統(tǒng)。此外，氫還可以作為貯存其他能源的媒體，通過(guò)利用過(guò)剩電力進(jìn)行電解制氫，實(shí)現(xiàn)能源貯存。目前四十頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)固態(tài)儲(chǔ)氫的優(yōu)勢(shì)：體積儲(chǔ)氫容量高無(wú)需高壓及隔熱容器安全性好，無(wú)爆炸危險(xiǎn)可得到高純氫，提高氫的附加值目前四十一頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)體積比較目前四十二頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)在以氫作為能源媒體的氫能體系中，氫的貯存與運(yùn)輸是實(shí)際應(yīng)用中的關(guān)鍵。貯氫材料就是作為氫的貯存與運(yùn)輸媒體而成為當(dāng)前材料研究的一個(gè)熱點(diǎn)項(xiàng)目。目前四十三頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)貯氫材料(Hydrogenstoragematerials)是在通常條件下能可逆地大量吸收和放出氫氣的特種金屬材料。目前四十四頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)

貯氫材料的作用相當(dāng)于貯氫容器。

貯氫材料在室溫和常壓條件下能迅速吸氫(H2)并反應(yīng)生成氫化物，使氫以金屬氫化物的形式貯存起來(lái)，在需要的時(shí)候，適當(dāng)加溫或減小壓力使這些貯存著的氫釋放出來(lái)以供使用。目前四十五頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)貯氫材料中，氫密度極高，下表列出幾種金屬氫化物中氫貯量及其他氫形態(tài)中氫密度值。目前四十六頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)(1)相對(duì)氫氣瓶重量從表中可知，金屬氫化物的氫密度與液態(tài)氫、固態(tài)氫的相當(dāng)，約是氫氣的1000倍。目前四十七頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)

另外，一般貯氫材料中，氫分解壓較低，所以用金屬氫化物貯氫時(shí)并不必用101.3MPa(1000atm)的耐壓鋼瓶。目前四十八頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)可見(jiàn)，利用金屬氫化物貯存氫從容積來(lái)看是極為有利的。但從氫所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)看，仍比液態(tài)氫、固態(tài)氫低很多，尚需克服很大困難，尤其體現(xiàn)在對(duì)汽車工業(yè)的應(yīng)用上。目前四十九頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)

當(dāng)今汽車工業(yè)給環(huán)境帶來(lái)惡劣的影響，因此汽車工業(yè)一直期望用以氫為能源的燃料電池驅(qū)動(dòng)的環(huán)境友好型汽車來(lái)替代。目前五十頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)對(duì)于以氫為能源的燃料電池驅(qū)動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)，不僅要求貯氫系統(tǒng)的氫密度高，而且要求氫所占貯氫系統(tǒng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)要高(估算須達(dá)到(H)=6.5％)，當(dāng)前的金屬氫化物貯氫技術(shù)還不能滿足此要求。因此，高容量貯氫系統(tǒng)是貯氫材料研究長(zhǎng)期探求的目標(biāo)。目前五十一頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)

貯氫材料的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用研究始于20世紀(jì)60年代，1960年發(fā)現(xiàn)鎂(Mg)能形成MgH2，其吸氫量高達(dá)(H)＝7.6％，但反應(yīng)速度慢。目前五十二頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)1964年，研制出Mg2Ni，其吸氫量為(H)=3.6％，能在室溫下吸氫和放氫，250℃時(shí)放氫壓力約0.1MPa，成為最早具有應(yīng)用價(jià)值的貯氫材料。目前五十三頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)同年在研究稀土化合物時(shí)發(fā)現(xiàn)了LaNi5具有優(yōu)異的吸氫特性;1974年又發(fā)現(xiàn)了TiFe貯氫材料。LaNi5和TiFe是目前性能最好的貯氫材料。目前五十四頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)（一）貯氫原理目前五十五頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)先吸收少量氫，形成含氫固溶體（α相）。其固溶度[H]M與固溶體平衡氫壓的平方根成正比：第一步：目前五十六頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)固溶體進(jìn)一步與氫反應(yīng)，產(chǎn)生相變，形成氫化物相（β相）：式中：x為固溶體中的氫平衡濃度，y是合金氫化物中氫的濃度，一般y≥x。第二步：再提高氫壓，金屬中的氫含量略有增加。第三步：目前五十七頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)金屬與氫的反應(yīng)是一個(gè)可逆過(guò)程。正向反應(yīng)吸氫、放熱，逆向反應(yīng)釋氫、吸熱。改變溫度和壓力條件可使反應(yīng)按正向、逆向反復(fù)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)材料的稀釋氫功能。氫在金屬中的吸收和釋放，取決于金屬和氫的相平衡關(guān)系，影響相平衡的因素為溫度、壓力和組成。（也就是金屬吸氫生成金屬氫化物還是金屬氫化物分解釋放氫，受溫度、壓力和合金成分的控制）目前五十八頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)(二)儲(chǔ)氫材料應(yīng)具備的條件

①易活化，氫的吸儲(chǔ)量大；②用于儲(chǔ)氫時(shí)生成熱盡量小，而用于蓄熱時(shí)生成熱盡量大；③在一個(gè)很寬的組成范圍內(nèi)，應(yīng)具有穩(wěn)定合適的平衡分解壓(室溫分解壓2~3atm)；目前五十九頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)

④氫吸收和分解過(guò)程中的平衡壓差(滯后)??；⑤氫的俘獲和釋放速度快；⑥金屬氫化物的有效熱導(dǎo)率大；目前六十頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)

⑦在反復(fù)吸、放氫的循環(huán)過(guò)程中，合金的粉化小，性能穩(wěn)定性好；⑧對(duì)不純物如氧、氮、CO、CO2、水分等的耐中毒能力強(qiáng)；⑨儲(chǔ)氫材料價(jià)廉。

目前六十一頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)(三)影響儲(chǔ)氫材料吸儲(chǔ)能力的因素

①活化處理制造儲(chǔ)氫材料時(shí)，表面被氧化物覆蓋及吸附著水和氣體等會(huì)影響氫化反應(yīng)，采用加熱減壓脫氣或高壓加氫處理。目前六十二頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)

②耐久性和中毒

耐久性是指儲(chǔ)氫材料反復(fù)吸儲(chǔ)的性質(zhì)。向儲(chǔ)氫材料供給新的氫氣時(shí)帶入的不純物使吸儲(chǔ)氫的能力下降稱為“中毒”。

③粉末化

在吸儲(chǔ)和釋放氫的過(guò)程中，儲(chǔ)氫材料反復(fù)膨脹和收縮，從而導(dǎo)致出現(xiàn)粉末現(xiàn)象。目前六十三頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)④儲(chǔ)氫材料的導(dǎo)熱性在反復(fù)吸儲(chǔ)和釋放氫的過(guò)程中，形成微粉層使導(dǎo)熱性能很差，氫的可逆反應(yīng)的熱效應(yīng)要求將其及時(shí)導(dǎo)出。⑤滯后現(xiàn)象和坪域用于熱泵系統(tǒng)的儲(chǔ)氫材料，滯后現(xiàn)象應(yīng)小，坪域宜寬。⑥安全性目前六十四頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)(四)儲(chǔ)氫材料的種類

①鎂系合金②稀土系合金③鈦系合金④鋯系合金目前六十五頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)①鎂系合金鎂在地殼中藏量豐富。MgH2是唯一一種可供工業(yè)利用的二元化合物，價(jià)格便宜，而且具有最大的儲(chǔ)氫量。MgH2缺點(diǎn)：釋放溫度高且速度慢，抗腐蝕能力差。目前六十六頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)

新開(kāi)發(fā)的鎂系吸氫合金Mg2Ni1-xMx(M=V，Cr，Mn，F(xiàn)e，Co)和Mg2-xMxNi(Al，Ca)比MgH2的性能好。目前六十七頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)

鎂系吸氫合金的潛在應(yīng)用在于可有效利用250～400℃的工業(yè)廢熱，工業(yè)廢熱提供氫化物分解所需的熱量。

目前六十八頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)②稀土系合金人們很早就發(fā)現(xiàn)，稀土金屬與氫氣反應(yīng)生成稀土氫化物REH2，這種氫化物加熱到1000℃以上才會(huì)分解。而在稀土金屬中加入某些第二種金屬形成合金后，在較低溫度下也可吸放氫氣，通常將這種合金稱為稀土貯氫合金。目前六十九頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)在已開(kāi)發(fā)的一系列貯氫材料中，稀土系貯氫材料性能最佳，應(yīng)用也最為廣泛。

稀土系貯氫材料的應(yīng)用領(lǐng)域已擴(kuò)大到能源、化工、電子、宇航、軍事及民用各個(gè)方面。目前七十頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)例如，用于化學(xué)蓄熱和化學(xué)熱泵的稀土貯氫合金可以將工廠的廢熱等低質(zhì)熱能回收、升溫，從而開(kāi)辟出了人類有效利用各種能源的新途徑。目前七十一頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)利用稀土貯氫材料釋放氫氣時(shí)產(chǎn)生的壓力，可以用作熱驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力；采用稀土貯氫合金可以實(shí)現(xiàn)體積小、重量輕、輸出功率大，可用于制動(dòng)器升降裝置和溫度傳感器。目前七十二頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)典型的貯氫合金LaNi5是1969年荷蘭菲利浦公司發(fā)現(xiàn)的，從而引發(fā)了人們對(duì)稀土系儲(chǔ)氫材料的研究。目前七十三頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)以LaNi5

為代表的稀土儲(chǔ)氫合金被認(rèn)為是所有儲(chǔ)氫合金中應(yīng)用性能最好的一類。

優(yōu)點(diǎn)：初期氫化容易，反應(yīng)速度快，吸-放氫性能優(yōu)良。20℃時(shí)氫分解壓僅幾個(gè)大氣壓。

缺點(diǎn)：鑭價(jià)格高，循環(huán)退化嚴(yán)重，易粉化。目前七十四頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)采用混合稀土(La，Ce，Sm)Mm替代La可有效降低成本，但氫分解壓升高，滯后壓差大，給使用帶來(lái)困難。采用第三組分元素M(Al，Cu，F(xiàn)e，Mn,Ga，In，Sn，B，Pt，Pd，Co，Cr，Ag，Ir)替代部分Ni是改善LaNi5和MmNi5儲(chǔ)氫性能的重要方法。目前七十五頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)③鈦系合金Ti-Ni：TiNi，Ti2Ni，TiNi-Ti2Ni，Ti1-yZryNix，TiNi-Zr7Ni10，TiNiMmTi-Fe：

價(jià)廉，儲(chǔ)氫量大，室溫氫分解壓只有幾個(gè)大氣壓，很合乎使用要求。但是活化困難，易中毒。目前七十六頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)Ti-Mn：粉化嚴(yán)重，中毒再生性差。添加少量其它元素(Zr,Co,Cr,V)可進(jìn)一步改善其性能。其中，TiMn1.5Si0.1，Ti0.9Zr0.2Mn1.40Cr0.4具有很好的儲(chǔ)氫性能。另外，四、五元合金也是發(fā)展的方向。

目前七十七頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)④鋯系合金

鋯系合金具有吸氫量高，反應(yīng)速度快，易活化，無(wú)滯后效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。但是，氫化物生成熱大，吸放氫平臺(tái)壓力低，價(jià)貴，限制了它的應(yīng)用。

AB2→ZrV2，ZrCr2，ZrMn2儲(chǔ)氫量比AB5型合金大，平衡分解壓低。目前七十八頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)Zr(Mn，Ti，F(xiàn)e)2和Zr(Mn，Co，Al)2合金適合于作熱泵材料。Ti17Zr16Ni39V22Cr7已成功用于鎳氫電池，有寬廣的元素替代容限，設(shè)計(jì)不同的合金成分用來(lái)滿足高容量，高放電率，長(zhǎng)壽命，低成本不同的要求。目前七十九頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)1998年,國(guó)際能源機(jī)構(gòu)(IEA)確定了未來(lái)新型儲(chǔ)氫材料的標(biāo)準(zhǔn)，其儲(chǔ)氫容量應(yīng)大于5wt%，并且能在溫和的條件下吸放氫。根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn),目前的儲(chǔ)氫合金大多尚不能滿足這一性能要求。因此世界各國(guó)的科學(xué)家除對(duì)現(xiàn)有金屬基儲(chǔ)氫材料進(jìn)行改良外,也一直在致力于尋找新的固態(tài)儲(chǔ)氫方式.（五）其他的貯氫材料目前八十頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)1)碳納米管(CarbonNanotubules)碳納米管是一種具有很大表面積的碳材。當(dāng)氫到達(dá)材料表面時(shí)，一方面被吸附在材料表面上；另一方面在毛細(xì)力的作用下,被壓縮到微孔中,由氣態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在82K和0.07MPa的氫壓下，儲(chǔ)氫量可達(dá)8.4wt.%。研究人員正致力改善這種材料在室溫附近的儲(chǔ)氫性能。目前八十一頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)2)石墨納米纖維典型尺寸為5～100μm，直徑為5～100nm。其儲(chǔ)氫密度可達(dá)75wt.%，即1克石墨納米纖維可儲(chǔ)氫3克。目前這種材料的研究還處在實(shí)驗(yàn)室階段，尚有不足之處。石墨納米纖維及其吸氫過(guò)程目前八十二頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)3)碳凝膠(CarbonAerogels)碳凝膠是一種類似于泡沫塑料的物質(zhì)。這種材料的特點(diǎn)是：具有超細(xì)孔，大表面積，并且有一個(gè)固態(tài)的基體。通常它是由間苯二酚和甲醛溶液經(jīng)過(guò)縮聚作用后，在1050℃的高溫和惰性氣氛中進(jìn)行超臨界分離和熱解而得到的。這種材料具有納米晶體結(jié)構(gòu)，其微孔尺寸小于2nm。最近試驗(yàn)結(jié)果表明,在8.3MPa的高壓下,其儲(chǔ)氫量可達(dá)3.7wt.%。作為載體的碳凝膠目前八十三頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)4）玻璃微球

這種材料的尺寸在25~500μm之間,球壁厚度僅1μm,在200～400℃范圍內(nèi)，材料的穿透性增大，使得氫氣可在一定壓力的作用下浸入到玻璃體中。當(dāng)溫度降至室溫附近時(shí)，玻璃體的穿透性消失，隨后隨溫度的升高便可釋放出氫氣。研究發(fā)現(xiàn)，這種材料在62MPa氫壓條件下，儲(chǔ)氫可達(dá)10wt.%，經(jīng)檢測(cè)95%的微球中都含有氫，而且在370℃時(shí)，15分鐘內(nèi)可完成整個(gè)吸氫或放氫過(guò)程。玻璃微球的SEM形貌目前八十四頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)(六)貯氫材料的應(yīng)用

氫與金屬間化合物在生成金屬氫化物和釋放氫的過(guò)程中，可以產(chǎn)生以下功能：(1)有熱的吸收和釋放現(xiàn)象，氫可作為一種化學(xué)能加以利用；(2)熱的釋放與吸收也可作為一種熱力功能加以利用；目前八十五頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)(3)在一密封容器中，金屬氫化物所釋放出氫的壓力與溫度有一定關(guān)系，利用這種壓力可做機(jī)械功；(4)金屬氫化物在吸收氫過(guò)程中還伴隨著電化學(xué)性能的變化，可直接產(chǎn)生電能，這就是電化學(xué)功能。目前八十六頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)充分利用這化學(xué)、機(jī)械、熱、電四大功能，可以開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品；同時(shí)，吸、放氫多次后，金屬氫化物會(huì)自粉碎成細(xì)粉，表面性能非?；顫?，用作催化劑很有潛力，這種表面效應(yīng)功能也很有開(kāi)發(fā)前途。目前八十七頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)

金屬氫化物貯氫材料的應(yīng)用領(lǐng)域很多，而且還在不斷發(fā)展之中，下面介紹貯氫材料應(yīng)用的幾個(gè)主要方面。目前八十八頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)1、高容量貯氫器用高貯氫量的貯氫材料以及高強(qiáng)鋁合金貯罐，從工藝上降低成本，減輕重量，這種高容量貯氫器可在氫能汽車、氫電動(dòng)車、氫回收、氫凈化、氫運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前八十九頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)利用貯氫材料吸收氫的特性，可從氯堿、合成氨的工業(yè)廢氣中回收氫；可方便而廉價(jià)地獲取超高純H2(99.9999％)，實(shí)現(xiàn)氫的凈化；還可將難與氫分離的氣體，如氦經(jīng)濟(jì)地分離出來(lái)，無(wú)須慣用的深冷方法而實(shí)現(xiàn)氫的分離；目前九十頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)可用于吸收核反應(yīng)堆的重水慢化器及冷卻器中產(chǎn)生的氫、氖、氚等氫同位素，以避免核反應(yīng)器材料的氫脆和防止環(huán)境污染，對(duì)吸收的氫同位索還可以利用貯氫材料的氫化物與氘化物平衡壓力的差異、經(jīng)濟(jì)有效地實(shí)現(xiàn)氫氘分離，即氫的同位素分離。目前九十一頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)2、靜態(tài)壓縮機(jī)利用氫化物的平衡壓力隨溫度指數(shù)變化的規(guī)律，室溫下吸氫，然后提高溫度以使氫壓大幅度提高，同時(shí)使氫凈化。這樣不用機(jī)械壓縮即可制高壓氫，所用設(shè)備簡(jiǎn)單，無(wú)運(yùn)轉(zhuǎn)部件，無(wú)噪聲，用于此目的貯氫合金稱為靜態(tài)壓縮機(jī)。目前九十二頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)3、熱泵利用貯氫材料的熱效應(yīng)和平臺(tái)壓力的溫度效應(yīng)，只需用低品位熱源如工業(yè)廢熱、太陽(yáng)能作能源，即可進(jìn)行供熱、發(fā)電、空調(diào)和制冷。過(guò)去一股為2段式熱泵，1次升溫，現(xiàn)發(fā)展成3段式熱泵，2次升溫，可使65~90℃廢熱水升溫至130℃或更高，可直接用于產(chǎn)生蒸氣再發(fā)電，并可充分利用環(huán)境熱，制成新型空調(diào)器和冰箱，可節(jié)能80％。目前九十三頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)金屬氫化物熱泵的推廣與金屬氫化物成本和熱交換器的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。日本最近提出的一種機(jī)械壓縮機(jī)與金屬氮化物聯(lián)動(dòng)式熱泵，它只用一種廉價(jià)的金屬氫化物(如TiFe等)與一臺(tái)無(wú)油壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)氫的吸入，從而簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，降低成本。目前九十四頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)4、用作催化劑貯氫材料可用作加氫和脫氫反應(yīng)的催化劑，如LaNi5、TiFe用作常溫常壓合成氨催化劑、電解水或燃料電池上的催化劑。它可降低電解水時(shí)的能耗，提高燃料電池的效率。目前九十五頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)放電充電5、發(fā)展鎳氫電池出于鎘有毒，鎳鎘高容量可再充式電池因廢電池處理復(fù)雜已處于被淘汰的階段。因此金屬氫化物鎳氫電池發(fā)展迅速，基本化學(xué)過(guò)程是：目前九十六頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)如以貯氫材料作電極材料，則放電時(shí)從貯氫材科中放出氫，充電時(shí)則反之，對(duì)于TiCrVNi、TiNi等最高貯氫量可達(dá)260cm3/g的材料、放電量可比鎳鎘電池高1.8倍，可充放電1000次以上。這類電池在宇航、手提式電子計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話、電動(dòng)汽車等行業(yè)中已得到廣泛應(yīng)用。目前九十七頁(yè)\總數(shù)一百零八頁(yè)\編于十七點(diǎn)

6、溫度傳感器、控制器貯氫材料的氫平衡壓隨溫度升高而升高的效應(yīng)可以用作溫度計(jì)。從貯氫材料的p-T曲線找到p與T的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將小型貯氫器上的壓力表盤(pán)改為溫度指示