[发明专利]一种吸气合金材料及其应用

说明书

本发明公开了一种吸气合金材料及其应用。该吸气合金材料按照重量百分比计所包含的组分及其含量为：锆：33％～65％；钛：7％～24％；钒：7％～41％；钇：2％～32％；M：0％～35％；其中，M为铁、铬、锰、镍、钼、铝中的一种或几种混合；钒与M的含量之和为41％以下。在本发明提供的合金成分范围内，锆、钛、钒等合金元素形成了不同的晶体结构。本发明所提供的吸气合金材料能够在较高温度和较低吸氢压力下实现较高的吸氢容量，同时在工作温度下对氢以及其他活性气体拥有较高的吸附速率。

技术领域

本发明涉及一种主要用于氢气吸附的吸气合金材料，特别涉及一种在较高温度范围下具有高的氢气吸附容量和吸附速率的吸气合金材料。

背景技术

吸氢材料是一类对氢气具有卓越吸附能力的吸气合金材料。因此广泛用于在封闭环境中长期维持真空(如太阳能集热管)、获得超高真空(如吸气剂泵)或者去除惰性气氛中具有反应活性的杂质气体(惰性气体纯化器)的工业或科学研究领域。其中一个比较重要的用途是在太阳能光热发电领域用于太阳能集热管的真空维持。太阳能光热发电的核心部件之一真空集热管在使用过程中，由于内管内导热油分解向内管与外波管之间的密闭真空夹层内渗氢、大气通过外波管向真空夹层泄漏等原因，导致真空度迅速降低，从而导致集热管热损增加，集热效率降低。其真空夹层气体的主要成分为氢气，并且氢气对集热管的热损影响最大，因此在使用过程中必须使用吸氢材料来吸收真空夹层的残余气体，特别是氢气，从而保证集热管真空夹层内的真空度。否则随着真空度的降低，特别是氢分压的提高，其热损会大幅度提高，热发电效率大幅度降低。

吸氢材料主要是以钛、锆、稀土金属等为主，以及其余一种或多种金属元素组成的合金，如锰、钒、铁、钼、坦、铝等，其活性物质通常为含钛、锆、稀土金属的合金或者单质，通过活性物质与氢、氧、氮、水、碳氧化物、碳氢化合物等气体的化学反应实现对氢和其他活性气体的吸附作用。最常用的吸氢材料包括钛基吸氢材料如CN1959916A(Ti-Mo合金)、CN104871284A(Ti-Ta合金)等，锆基吸氢材料如US4312669(Zr-V-Fe合金)、CN1072266C(Zr-Co-稀土金属合金)、US4306887(Zr-Fe合金)、CN101068942B(Zr-Y-Fe合金)等。对于钛基和锆基吸氢材料，在较低温度下能够在较低氢气分压(10^-2Pa)具有较高的吸氢容量，然而在高温(400℃)条件下，其吸氢容量显著衰减。如US431266公开的牌号为St707的成分为Zr70wt.％-V24.6-Fe5.4wt.％的吸氢材料，其在200℃，1×10^-2Pa氢压下吸氢容量达到10879Pa·L/g，在300℃时衰减到766Pa·L/g，在400℃下衰减到118Pa·L/g，在500℃时衰减为29Pa·L/g。这主要是由于锆基吸氢材料在高温下几乎不能与氢生成金属氢化物，氢以固溶形式存在于合金中。

对于以太阳能集热管真空维持为主要应用目的的吸氢材料来说，其使用温度主要在300℃以上，近年来由于太阳能热发电技术的发展，其使用温度甚至提高至500℃，并且要求其真空度维持在10^-2Pa以上，以保持集热管较低的热损。金属钇在较高温度下和低氢分压条件下仍然能够生成金属氢化物，并且在500℃下，其形成金属氢化物的吸氢平台压低于10^-2Pa，因此能够吸附大量氢气。CN101068942B通过在锆基吸氢材料中添加钇，形成了钇的单质相，使得其高温下的吸氢容量得到提高，专利CN101437972B甚至采用钇为主要合金元素，形成以单质钇相为主要吸氢相的吸氢材料。然而这些材料对于氢气及其他气体的吸附速率显著低于St707吸氢材料，因此在太阳能集热管真空维持应用方面使用效果不佳。

发明内容

本发明的目的在于提出一种吸气合金材料，它能够在较高温度和较低吸氢压力下实现较高的吸氢容量，同时在工作温度下对氢以及其他活性气体拥有较高的吸附速率。

本发明的另一目的在于提供一种所述吸气合金材料的应用。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：