[发明专利]一种提高Mg2Ni型贮氢合金性能的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁场作用下快速凝固处理制备Mg₂Ni型贮氢合金的方法和配套的装置，属于金属功能材料技术领域。

背景技术

镁基贮氢合金因具有高的理论容量且资源丰富，被认为是最具开发前景的金属贮氢材料，尤其是Mg₂Ni型贮氢合金，其吸放氢容量高达3.6%（wt%），电化学容量达999mAh/g。然而由于其氢化物相当稳定，并且Mg在碱性溶液中极易发生腐蚀生成Mg(OH)₂，从而导致实际的电化学容量很低（不到50mAh/g），并且循环性能很差。目前，常见的改善Mg₂Ni型贮氢合金常温贮氢性能的方法有机械合金化法，熔体快淬法及元素掺杂法。其中机械合金化法耗时耗力，且无法大规模生产，球磨获得的非晶和纳米晶结构属于亚稳态结构，循环性能很差。熔体快淬法可以改善合金成分均匀性，降低晶格应力，提高合金耐腐蚀性和抗粉化能力，然而快淬往往使得合金容量及动力学性能有所降低。元素掺杂的目的是为了降低合金氢化物稳定性，Mn部分取代Ni后，Ni-H键能有所减小，使得吸放氢平台压升高，氢化物稳定性降低；Mn取代还有利于改善合金的循环稳定性。磁场对磁性材料的加工处理已成为材料科学基础研究和材料制备技术领域的重要研究方向。一方面，熔体在磁场下凝固需保持磁各向异性能最小，并且磁场有抑制熔体对流的作用，这都使得合金容易发生柱状晶型取向生长，研究表明，柱状晶形态的合金更耐碱液腐蚀。另一方面，磁场以场的形式将磁化能存储在合金晶格内部，可以为吸放氢反应提供能量，降低了合金氢化物的稳定性及反应的活化能，提高吸放氢动力学性能。

发明内容：

本发明的目的是提供一种可有效提高Mg₂Ni型贮氢合金电化学放电容量及循环寿命，并改善合金吸放氢动力学性能的磁场作用下快速凝固制备Mg₂Ni型贮氢合金的方法和配套的装置。

一种磁场作用下真空感应熔炼快淬装置，包括合金熔炼快淬装置、磁场处理装置和充抽气装置，所述的合金熔炼快淬装置包括中空的主体腔，用于装载合金块并开有喷嘴的石英管，用于加热合金的线圈、用于冷却合金的柱状的水冷铜辊、用于产生射频电流以控制线圈加热的射频感应加热控制装置和用于回收合金的中空的回收腔，所述的水冷铜辊设置于主体腔的中心位置且能绕自身轴线自转，所述的石英管竖直设置于水冷铜辊的正上方且喷嘴正对水冷铜辊，所述的线圈环绕石英管设置，所述的射频感应加热控制装置电连接控制线圈，所述的回收腔为圆台体，回收腔直径较大的的一端设置于主体腔内水冷铜辊的自转甩带方向处并用于接收冷却后的合金，回收腔的另一端设有腔门并穿出主体腔以供收集样品，所述的磁场处理装置包括二平行设置于石英管的喷嘴两侧的永磁铁和磁铁支架，所述的磁铁支架设置于主体腔内并支撑永磁铁，二永磁铁在石英管的喷嘴处形成静磁场且磁场方向与水平面平行，所述的充抽气装置连接主体腔和石英管并用于将主体腔内抽真空并充入惰性气体以及从石英管中吹出合金溶液。

所述的永磁铁为方形永磁铁，永磁铁所形成的磁场强度为0.1～1.5T，永磁铁的长度不小于70mm，高度不小于30mm，永磁铁所形成的磁场覆盖石英管的喷嘴且高出喷嘴位置不小于10mm，永磁铁的摆放方向与水冷铜辊的顶部切面方向平行。

所述的磁铁支架由抗磁性材料制成且呈半圆弧形，磁铁支架的半圆弧的外径与主体腔的内径相同并固定于主体腔内，磁铁支架通过螺丝与磁铁固定连接。

所述的石英管的喷嘴直径为1～1.5mm，石英管的喷嘴与铜辊表面相距1～2mm，铜辊线速度为5～30m/s，喷嘴中合金熔体的喷射压力为0.04～0.08MPa。

所述的充抽气装置包括抽气泵、抽气阀门、充气阀门、惰性气体容器、容器充气阀门、石英管充气阀门、容器压力表和主体腔压力表，所述的抽气泵通过管道连接主体腔，抽气阀门安装于抽气泵与主体腔连接的管道上，外部惰性气源通过管道连接主体腔，充气阀门安装于外部惰性气源与主体腔连接的管道上，所述的惰性气体容器通过管道分别连接外部惰性气源和石英管，所述的容器充气阀门安装于惰性气体容器与外部惰性气源的连接管道上，所述的石英管充气阀门安装于惰性气体容器与石英管的连接管道上，所述的容器压力表安装于惰性气体容器处，所述的主体腔压力表安装于主体腔处。

利用上述的装置提高Mg₂Ni型贮氢合金性能的方法，包括以下步骤：