1、第三章 梯度功能材料與貯氫合金第一節(jié)第一節(jié) 功能梯度材料功能梯度材料 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)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)展起來的一種新型功能材料。由日本人境下正常工作而發(fā)展起來的一種新型功能材料。由日本人- -新野新野正之、平井敏雄于正之、平井敏雄于19861986年首先提出的。年首先提出的。梯度功能材料梯度功能材料(functionally gradient materials(functionally gradient materials，縮寫，縮寫FGM)FGM) 是兩種或多種材料復(fù)合成組分和結(jié)構(gòu)呈連續(xù)梯度變化的一種是

2、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)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?，F(xiàn)功能梯度的材料。 功能梯度材料作為一個(gè)規(guī)范化正式概念，于功能梯度材料作為一個(gè)規(guī)范化正式概念，于19841984年由年由日本國(guó)立宇航實(shí)驗(yàn)室提出。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)到航天飛機(jī)中，燃燒室內(nèi)外表面溫差達(dá)到1000K1000K以上，普以上，普通的金屬材料難以滿足這種苛刻的使用環(huán)境。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)想的表面溫度航天飛機(jī)飛行時(shí)預(yù)想的表面溫度 梯度功能

3、材料主要特征有：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；材料的組分和結(jié)構(gòu)呈連續(xù)性梯度變化；材料內(nèi)部沒有明顯的界面；材料內(nèi)部沒有明顯的界面；材料的性質(zhì)也呈連續(xù)性梯度變化。材料的性質(zhì)也呈連續(xù)性梯度變化。ZrOZrO2 2-CrNi-CrNi合金合金FGMFGM橫截面橫截面，白色的陶瓷粉末與黑色，白色的陶瓷粉末與黑色的合金粉末含量呈連續(xù)性的合金粉末含量呈連續(xù)性梯度變化，沒有明顯的界梯度變化，沒有明顯的界面，面， 1987 1987年，日本平井敏雄、新野正之和渡邊龍三人提出使年，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)變化的熱防金屬和陶瓷復(fù)合

4、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。護(hù)梯度功能材料的概念。 19901990年，日本召開第一屆梯度功能材料國(guó)際研討會(huì)。年，日本召開第一屆梯度功能材料國(guó)際研討會(huì)。梯度復(fù)合管梯度復(fù)合管 1993 1993年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所開始以年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所開始以“開發(fā)超高溫耐氧化開發(fā)超高溫耐氧化保護(hù)涂層保護(hù)涂層”為目標(biāo)進(jìn)行梯度功能材料研究。為目標(biāo)進(jìn)行梯度功能材料研究。通過改變復(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。通過改變復(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。 19951995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年德國(guó)發(fā)起一項(xiàng)六年國(guó)

5、家協(xié)調(diào)計(jì)劃，主要研究功能梯度材料的制備。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)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。域中的重要主題之一。摩擦升溫后，梯度材料變化較小摩擦升溫后，梯度材料變化較小，普通材料則變成蘭紫色，普通材料則變成蘭紫色竹子竹子是一種典型的梯度功能材是一種典型的梯度功能材料，人類和動(dòng)物身體中的骨骼料，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)單元承受最高的結(jié)構(gòu)中的最強(qiáng)單元承受最高的應(yīng)力。應(yīng)力。 生物的梯度結(jié)構(gòu)與人造梯度結(jié)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。有生命構(gòu)之

6、間存在很大差異。有生命的的FGMFGM是是“智能的智能的”，它們能感，它們能感受所處環(huán)境的變化受所處環(huán)境的變化( (包括局部應(yīng)包括局部應(yīng)力集中力集中) )，產(chǎn)生相應(yīng)的結(jié)構(gòu)修改，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而人造梯度材料至少在目前還缺乏這種功能。缺乏這種功能。 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，鋒利無比。1977年12月，復(fù)旦大學(xué)與中科院等對(duì)劍進(jìn)行了無損檢測(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。梯度

7、材料與復(fù)合材料的區(qū)別梯度材料與復(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)功能一致梯度化梯度功能材料分類梯度功能材料分類 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2 2）組成變化上分：）組成變化上分： （1 1）梯度功能整體型）梯度功能整體型( (從一側(cè)到另一側(cè)組成梯度變從一側(cè)到另一側(cè)組成梯度變化化) ) （2 2）梯度功能涂履型）梯度功能涂履型( (涂層的組成梯度變化涂層的組成梯度變化) ) （3 3）

8、梯度功能連接型）梯度功能連接型( (粘接接縫的組成梯度變化粘接接縫的組成梯度變化) ) 3 3）功能上分：）功能上分： （1 1）熱防護(hù)梯度功能材料）熱防護(hù)梯度功能材料 （2 2）折射率梯度功能材料）折射率梯度功能材料梯度功能材料的制備方法梯度功能材料的制備方法 梯度功能材料的制備技術(shù)和方法，綜合了超細(xì)、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)合材樹等微觀結(jié)構(gòu)控超微細(xì)粉、均質(zhì)或非均質(zhì)復(fù)合材樹等微觀結(jié)構(gòu)控制技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)。制技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)。化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法(CVD)物理蒸鍍法物理蒸鍍法(PVD)等離子噴涂法等離子噴涂法(PS)自蔓延高溫合成法自蔓延高溫合成法

9、(SHS)粉末冶金法粉末冶金法激光熔覆法激光熔覆法化學(xué)氣相滲透法化學(xué)氣相滲透法(CVI)電解析出法等電解析出法等化學(xué)氣相沉積法化學(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)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。的方法。 CVD法可通過選擇合成溫度、調(diào)節(jié)原料氣流量和壓力法可通過選擇合成溫度、調(diào)節(jié)原料氣流量和壓力等來控制等來控制FGM各組元的成分和結(jié)構(gòu)，而且可鍍復(fù)雜形各組元的成分和結(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)狀的表面；沉積面光滑致密

10、，沉積率高，成為制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)的雜結(jié)構(gòu)的FGM涂層關(guān)鍵技術(shù)之一。涂層關(guān)鍵技術(shù)之一。CVDCVD工藝原理圖工藝原理圖 將含金屬將含金屬/非金屬鹵化物的原料氣體進(jìn)行均勻混合，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。在一定條件下發(fā)生反應(yīng)，使生成物沉積在基板上。 目前，己用目前，己用CVD法制備出厚度為法制備出厚度為0.4-2mm的的SiC/C、TiC/C、SiC/TiC、A1/C系系FGM?；瘜W(xué)沉積系統(tǒng)化學(xué)沉積系統(tǒng)化學(xué)沉積立方化學(xué)沉積立方ZrO2/C梯度材料梯度材料物理蒸鍍法物理蒸鍍法 PVD法可制備多層不同物質(zhì)的膜；法可制備多層不同物質(zhì)的膜； PVD法得到的膜

11、較薄，每層膜是單純某物系；法得到的膜較薄，每層膜是單純某物系； 目前已制出目前已制出TiC/Ti、TiN/Ti、CrN/Cr 、TiAlN/Ti和和SiC/C/TiN等多層梯度功能材料。等多層梯度功能材料。PVD鍍膜器件鍍膜器件等離子噴涂法等離子噴涂法 等離子體噴涂能同時(shí)熔化難熔相和金屬，通過控制等離子體噴涂能同時(shí)熔化難熔相和金屬，通過控制兩種粉末的相對(duì)供給速率來預(yù)先設(shè)置混合比率。兩種粉末的相對(duì)供給速率來預(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體，吹入高溫等離子體射流。等離子體射流把

12、能量傳遞給顆粒，粉末被熔融后進(jìn)一步加速，高速?zèng)_撞傳遞給顆粒，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。時(shí)變得相當(dāng)扁平，使涂層具有相對(duì)低的孔隙率。等離子噴涂等離子噴涂 等離子噴涂適合形狀復(fù)雜表面的梯度涂覆加工。等離子噴涂適合形狀復(fù)雜表面的梯度涂覆加工。 在基板上噴涂單層在基板上噴涂單層NiCr合金粉末；合金粉末； 再用再用10%ZrO2粉和粉和90NiCr合金粉末噴涂；合金粉末噴涂； 在配料中逐步減少合金粉末；在配料中逐步減少合金粉末； 最后用最后用100ZrO2粉末噴涂。粉末

13、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，材料表面能承受料表面能承受1100-1300的高溫，內(nèi)外側(cè)溫差達(dá)到的高溫，內(nèi)外側(cè)溫差達(dá)到500-600。 日本采用等離子噴涂技術(shù)噴涂日本采用等離子噴涂技術(shù)噴涂ZrO2/Y2O陶瓷粉末和陶瓷粉末和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。性和耐熱疲勞性。自蔓延高溫合成法自蔓延高溫合成法 該法的特點(diǎn)最適合于生成熱大的化合物的合該法的特點(diǎn)最適合于生成熱大的化合物的合成如成如AlN、TiC、TiB2等。等。自蔓延

14、高溫合成自蔓延高溫合成自蔓延合成材料自蔓延合成材料 日本采用連續(xù)成型的電磁加壓自蔓延技術(shù)合日本采用連續(xù)成型的電磁加壓自蔓延技術(shù)合成成TiB2/Cu、TiC/Ni等梯度功能材料。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)制備我國(guó)采用爆炸壓實(shí)自蔓延高溫合成技術(shù)制備了了Al2O3/Ti系梯度功能材料，組織結(jié)構(gòu)呈梯系梯度功能材料，組織結(jié)構(gòu)呈梯度變化，理論密度提高到度變化，理論密度提高到94%。顆粒梯度排列法顆粒梯度排列法 將金屬、陶瓷等粉末按一定將金屬、陶瓷等粉末按一定梯度分布直接填充到模具中梯度分布直接填充到模具中加壓燒結(jié)；也可將不同組分加壓燒結(jié)；也可將不同組分粉末壓成薄膜粉末壓成薄膜/

15、/片后進(jìn)行疊片后進(jìn)行疊層燒結(jié)。層燒結(jié)。 控制各組分混合比，使壓后控制各組分混合比，使壓后的粉坯梯度層間任一組分濃的粉坯梯度層間任一組分濃度變化較小，梯度層間接合度變化較小，梯度層間接合緊密。緊密。 調(diào)節(jié)粉末粒度分布和燒結(jié)工調(diào)節(jié)粉末粒度分布和燒結(jié)工藝，可得良好熱應(yīng)力緩和的藝，可得良好熱應(yīng)力緩和的梯度功能材料。梯度功能材料。通過粉末混合燒結(jié)形成的通過粉末混合燒結(jié)形成的FGMFGM結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖 日本東北大學(xué)采用金屬顆粒層日本東北大學(xué)采用金屬顆粒層-中間過渡顆粒層中間過渡顆粒層-陶陶瓷顆粒層的梯度模型，耐高溫一側(cè)采用氧化物、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，

16、在低溫側(cè)采用比氮化物和碳化物耐熱陶瓷顆粒，在低溫側(cè)采用比強(qiáng)度高的強(qiáng)度高的Al、Ti合金顆?；螂y熔金屬合金顆?；螂y熔金屬W、Mo和導(dǎo)和導(dǎo)熱性好的熱性好的Cu、Ni、Co等顆粒，中間層為金屬和陶等顆粒，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。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)合不牢和易開裂的問題。和陶瓷結(jié)合不牢和易開裂的問題。TiC-TI3SIC2材料制備激光熔覆激光熔覆 把材料把材料A放到基底放到基底B表面上，用激光將其與表面上，用激光將其與B基體中基體中表面薄層一起熔化，在表面薄層一

17、起熔化，在B表面形成表面形成B合金化的合金化的A層。層。 重復(fù)操作，在重復(fù)操作，在B表面產(chǎn)生表面產(chǎn)生B含量逐漸減少的梯度。含量逐漸減少的梯度。 梯度變化可通過控制初始梯度變化可通過控制初始A層的數(shù)量、厚度及熔區(qū)深層的數(shù)量、厚度及熔區(qū)深度來獲得。度來獲得。激光熔覆將材料激光熔覆將材料A A合金化到材料合金化到材料B B制備制備FGMFGM示意圖示意圖功能梯度材料的應(yīng)用功能梯度材料的應(yīng)用航天工業(yè)航天工業(yè) 航天飛機(jī)在往返大氣層的過程中，機(jī)頭前端和機(jī)翼航天飛機(jī)在往返大氣層的過程中，機(jī)頭前端和機(jī)翼前沿服役溫度約前沿服役溫度約2000K，冷表面的溫度低于，冷表面的溫度低于1000K。 把直徑為把直徑為11

18、.5 m的高純石英纖維加壓成型，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、大小不等的燒成后再按要求切成外形不同、大小不等的“磚塊磚塊”，粘貼到航天飛機(jī)蒙皮上。這種復(fù)合材料，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題。防熱系統(tǒng)的重復(fù)使用性、可靠性等存在很大問題。 發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)的陶瓷熱防護(hù)盔甲發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)的陶瓷熱防護(hù)盔甲 2003年年2月月1日，日，“哥倫比亞哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)爆炸，原號(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)脫落的泡

19、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，形成可讓層出現(xiàn)了大面積松動(dòng)和破損，形成可讓“熱氣進(jìn)入熱氣進(jìn)入的空洞的空洞”，返航途中因超高溫空氣入侵而徹底解體。，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飛機(jī)的左翼上有兩條清晰的裂紋 在兩種表面按照基體在兩種表面按照基體/陶瓷比率設(shè)計(jì)具有梯度的金陶瓷比率設(shè)計(jì)具有梯度的金屬基或碳基復(fù)合結(jié)構(gòu)可解決上述問題。屬基或碳基復(fù)合結(jié)構(gòu)可解決上述問題。 設(shè)計(jì)梯度熱防護(hù)功能材料設(shè)計(jì)梯度熱防護(hù)功能材料 90年代初，日本開發(fā)了為小動(dòng)力火箭燃燒器和熱遮年代初，日本開發(fā)了為小

20、動(dòng)力火箭燃燒器和熱遮蔽材料用的梯度功能材料，目前已研制出能耐蔽材料用的梯度功能材料，目前已研制出能耐1700的的ZrO2/Ni梯度功能材料，用作馬赫數(shù)大于梯度功能材料，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。的并可重復(fù)使用的航天飛機(jī)機(jī)身材料。 空天飛機(jī)高速飛行時(shí)機(jī)身和機(jī)翼的溫度也高達(dá)上千空天飛機(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)力問題。，只能采用熱防護(hù)梯度材料解決熱應(yīng)力問題。 梯度功能材料也可用于普通飛機(jī)的噴氣燃燒器。梯度功能材料也可用于普通飛機(jī)的噴氣燃燒器?？仗祜w機(jī)空天飛機(jī)火箭燃燒室火箭燃燒室 在艦船甲板上可采用含熱障的、抗摩擦或抗沖擊的在艦船

21、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。能，對(duì)艦船的防護(hù)及搭載飛行器具有重要意義。航空母艦甲板航空母艦甲板船舶工業(yè)船舶工業(yè) 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上噴涂厚度大于2mm的的ZrO2涂層。如果直接在金屬涂層。如果直接

22、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。上覆蓋陶瓷，在構(gòu)件投入使用前就會(huì)導(dǎo)致界面脫層。 通過覆蓋一些陶瓷含量不斷增加的金屬通過覆蓋一些陶瓷含量不斷增加的金屬-陶瓷復(fù)合梯陶瓷復(fù)合梯度涂層，可保證涂層力學(xué)完整性，保護(hù)活塞。度涂層，可保證涂層力學(xué)完整性，保護(hù)活塞。柴油機(jī)活塞頭柴油機(jī)活塞頭汽油機(jī)活塞頭汽油機(jī)活塞頭汽車工業(yè)汽車工業(yè)能源工業(yè)能源工業(yè) 核反應(yīng)堆內(nèi)壁溫度高達(dá)數(shù)千核反應(yīng)堆內(nèi)壁溫度高達(dá)數(shù)千K，其內(nèi)壁材料采用單純，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。離傾向。 采用金屬采用金屬/陶瓷結(jié)合的梯度材料，能消除熱傳遞及

23、熱陶瓷結(jié)合的梯度材料，能消除熱傳遞及熱膨脹引起的應(yīng)力，解決界面問題，可替代目前不銹膨脹引起的應(yīng)力，解決界面問題，可替代目前不銹鋼鋼/陶瓷復(fù)合材料。陶瓷復(fù)合材料。核反應(yīng)堆核反應(yīng)堆 固體氧化物燃料電池堆的新型設(shè)計(jì)是采用金屬固體氧化物燃料電池堆的新型設(shè)計(jì)是采用金屬/ /陶瓷陶瓷的多層梯度結(jié)構(gòu)，它們與金屬整體互連。的多層梯度結(jié)構(gòu)，它們與金屬整體互連。 組分梯度性過渡可有效減小電池充放電對(duì)電極材料組分梯度性過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。本，簡(jiǎn)化制造。燃料電池燃料電池光學(xué)器件工業(yè)光學(xué)器件工業(yè) 梯度功能

24、材料推動(dòng)一個(gè)新的光學(xué)梯度功能材料推動(dòng)一個(gè)新的光學(xué)分支分支-梯度折射率光學(xué)的形成，在梯度折射率光學(xué)的形成，在光學(xué)器件中有大量應(yīng)用。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、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)化光大大減少非球面組件數(shù)，簡(jiǎn)化光學(xué)器件結(jié)構(gòu)。學(xué)器件結(jié)構(gòu)。 梯度折射率光纖可以自聚焦，提梯度折射率光纖可以自聚焦，提高耦合效率。高耦合效率。梯度折射透鏡梯度折射透鏡棒透鏡棒透鏡 下表列出了梯度折射光學(xué)材料的一些應(yīng)用例子。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)光學(xué)器件系統(tǒng)設(shè)計(jì)或應(yīng)用的例子設(shè)計(jì)或應(yīng)

25、用的例子成像系統(tǒng)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)復(fù)印機(jī)系統(tǒng)棒透鏡系列棒透鏡系列內(nèi)窺鏡系統(tǒng)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)醫(yī)用內(nèi)窺鏡醫(yī)用內(nèi)窺鏡光通信系統(tǒng)光通信系統(tǒng)自聚焦光纖、連接器、分路器、光開關(guān)、光衰減器、自聚焦光纖、連接器、分路器、光開關(guān)、光衰減器、光波導(dǎo)器件、激光二極管光波導(dǎo)器件、激光二極管光盤系統(tǒng)光盤系統(tǒng)拾音透鏡、拾像透鏡拾音透鏡、拾像透鏡光計(jì)算機(jī)系統(tǒng)光計(jì)算機(jī)系統(tǒng)微型光學(xué)元件微型光學(xué)元件梯度折射率材料的應(yīng)用梯度折射率材料的應(yīng)用生物醫(yī)學(xué)工業(yè)生物醫(yī)學(xué)工業(yè) 羥基磷灰石羥基磷灰石(HA)陶瓷和鈦或陶瓷和鈦或Ti-6Al-4V合金組成的梯

26、廢功合金組成的梯廢功能材料可作為仿生人工關(guān)節(jié)能材料可作為仿生人工關(guān)節(jié)和牙齒。和牙齒。 HA是生物相容性優(yōu)良的生是生物相容性優(yōu)良的生物活性陶瓷，鈦及其合金生物活性陶瓷，鈦及其合金生物相容性也很好，強(qiáng)度高，物相容性也很好，強(qiáng)度高， 人造牙的齒根外表采用耐磨人造牙的齒根外表采用耐磨性優(yōu)良的性優(yōu)良的HA陶瓷，內(nèi)部采陶瓷，內(nèi)部采用可承受較大變形的鈦或用可承受較大變形的鈦或Ti-6Al-4V合金。合金。梯度功能材料制成的梯度功能材料制成的人造牙人造牙 HA含量從外表面到內(nèi)表面逐漸減少，形成含量從外表面到內(nèi)表面逐漸減少，形成HA-玻玻璃璃-鈦功能梯度復(fù)合材料。鈦功能梯度復(fù)合材料。 燒結(jié)后特別適于植入人體，在

27、保證良好的生物相燒結(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。高牙齒的缺口阻力，抑制微觀裂紋損傷。HA-HA-玻璃玻璃- -鈦功能梯度復(fù)合材料截面示意圖鈦功能梯度復(fù)合材料截面示意圖電子材料電子材料 PZT壓電陶瓷廣泛用于制造超聲波振子、陶瓷濾波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題。存在一定問題。 通過調(diào)整材料組成，使其梯度化，就能使壓電系數(shù)通過調(diào)整材料組成，使其梯度化，就能使壓

28、電系數(shù)和溫度系數(shù)等得到最恰當(dāng)?shù)姆峙?，提高壓電器件的和溫度系?shù)等得到最恰當(dāng)?shù)姆峙?，提高壓電器件的性能和壽命。性能和壽命。壓電陶瓷器件壓電陶瓷器? 1、能源危機(jī)與環(huán)境問題、能源危機(jī)與環(huán)境問題 化石能源的有限性與人類需求的無限性石油、煤炭等主化石能源的有限性與人類需求的無限性石油、煤炭等主要能源將在未來數(shù)十年至數(shù)百年內(nèi)枯竭！（科技日?qǐng)?bào)，要能源將在未來數(shù)十年至數(shù)百年內(nèi)枯竭?。萍既?qǐng)?bào)，20042004年年2 2月月2525日，第二版）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！應(yīng)、酸雨等嚴(yán)重威脅地球

29、動(dòng)植物的生存！ 人類的出路何在？新能源研究勢(shì)在必行！人類的出路何在？新能源研究勢(shì)在必行！2 2、氫能的特點(diǎn)、氫能的特點(diǎn)n 氫是自然界中最普遍的元素，資源無窮無盡不存在枯竭問題n 氫的燃燒值高，燃燒產(chǎn)物是水零排放，無污染 ，可循環(huán)利用n 氫的燃燒能以高效和可控的方式進(jìn)行n 氫能的利用途徑多燃燒放熱或電化學(xué)發(fā)電n 氫的儲(chǔ)運(yùn)方式多氣體、液體、固體或化合物如果進(jìn)一步如果進(jìn)一步用太陽(yáng)能以海水制氫用太陽(yáng)能以海水制氫，則，則可實(shí)現(xiàn)可實(shí)現(xiàn)無公害能源系統(tǒng)無公害能源系統(tǒng)。此外，氫還可以作為此外，氫還可以作為，通過，通過利用過剩電力利用過剩電力進(jìn)行進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)能源貯存。實(shí)現(xiàn)能源貯存。固態(tài)儲(chǔ)氫的優(yōu)勢(shì)：固態(tài)儲(chǔ)氫的優(yōu)勢(shì)：1

30、) 體積儲(chǔ)氫容量高體積儲(chǔ)氫容量高2) 無需高壓及隔熱容器無需高壓及隔熱容器3) 安全性好，無爆炸危險(xiǎn)安全性好，無爆炸危險(xiǎn)4) 可得到高純氫，提高氫的附加值可得到高純氫，提高氫的附加值體積比較體積比較在以氫作為在以氫作為能源媒體的能源媒體的氫能體系中，氫能體系中，是實(shí)際應(yīng)用中的關(guān)鍵。是實(shí)際應(yīng)用中的關(guān)鍵。貯氫材料就是作為貯氫材料就是作為而成為當(dāng)前材料研究的一個(gè)熱點(diǎn)項(xiàng)目。而成為當(dāng)前材料研究的一個(gè)熱點(diǎn)項(xiàng)目。貯氫材料貯氫材料(Hydrogen storage materials)是是在通常條件下在通常條件下的的特種金屬材料特種金屬材料。貯氫材料的作用貯氫材料的作用相當(dāng)于相當(dāng)于。在室溫和常壓條件下在室溫和

31、常壓條件下能迅速能迅速吸氫吸氫(H2)并反應(yīng)生成并反應(yīng)生成氫化物氫化物，使氫以，使氫以貯存起來，在需要的時(shí)候，適貯存起來，在需要的時(shí)候，適當(dāng)當(dāng)使這些貯存著的氫釋放使這些貯存著的氫釋放出來以供使用。出來以供使用。貯氫材料中，貯氫材料中，極高，下表極高，下表列出幾種金屬氫化物中列出幾種金屬氫化物中及其他及其他氫形態(tài)中氫形態(tài)中。(1)相對(duì)氫氣瓶重量相對(duì)氫氣瓶重量從表中可知，金屬氫化物的從表中可知，金屬氫化物的與液態(tài)氫、與液態(tài)氫、固態(tài)氫的相當(dāng)，約是氫氣的固態(tài)氫的相當(dāng)，約是氫氣的1000倍。倍。另外，一般另外，一般中，中，所以，所以用金屬氫化物貯氫時(shí)用金屬氫化物貯氫時(shí)并不必并不必用用101.3MPa(1

32、000atm)的的耐壓鋼瓶耐壓鋼瓶?？梢姡每梢?，利用從從來看來看是極為有利的。是極為有利的。但但從從來看來看，仍比液，仍比液態(tài)氫、固態(tài)氫低很多，尚需克服很大困難，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。尤其體現(xiàn)在對(duì)汽車工業(yè)的應(yīng)用上。當(dāng)今當(dāng)今給給帶來惡劣的影帶來惡劣的影響，因此汽車工業(yè)一直期望響，因此汽車工業(yè)一直期望的的燃料電池驅(qū)動(dòng)的燃料電池驅(qū)動(dòng)的環(huán)境友好型汽車來環(huán)境友好型汽車來替代。替代。對(duì)于對(duì)于的的燃料電池驅(qū)動(dòng)燃料電池驅(qū)動(dòng)汽車來汽車來說，不僅要求說，不僅要求貯氫系統(tǒng)的貯氫系統(tǒng)的，而且要，而且要求求氫所占貯氫系統(tǒng)氫所占貯氫系統(tǒng)的的(估算須達(dá)估算須達(dá)到到 (H)

33、=6.5)，當(dāng)前的，當(dāng)前的貯氫技術(shù)貯氫技術(shù)還不能滿足此要求。還不能滿足此要求。因此，因此，是是貯氫材料研究貯氫材料研究長(zhǎng)期探求的目標(biāo)。長(zhǎng)期探求的目標(biāo)。的的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用研究始于始于20世世紀(jì)紀(jì)60年代，年代，1960年發(fā)現(xiàn)鎂年發(fā)現(xiàn)鎂(Mg)能形成能形成MgH2，其，其高達(dá)高達(dá) (H)7.6，但，但反反應(yīng)速度慢應(yīng)速度慢。1964年，研制出年，研制出，其吸氫量為，其吸氫量為 (H)=3.6，能，能在室溫下在室溫下和和，250 時(shí)放氫壓力約時(shí)放氫壓力約0.1MPa，成為最早，成為最早具有應(yīng)具有應(yīng)用價(jià)值用價(jià)值的貯氫材料。的貯氫材料。同年在研究同年在研究時(shí)發(fā)現(xiàn)了時(shí)發(fā)現(xiàn)了LaNi5具有優(yōu)異的吸氫

34、特性具有優(yōu)異的吸氫特性;1974年又發(fā)現(xiàn)了年又發(fā)現(xiàn)了貯氫材料。貯氫材料。LaNi5和和TiFe是目前是目前的貯氫材料。的貯氫材料。先吸收少量氫，形成含氫固溶體（先吸收少量氫，形成含氫固溶體（相）。相）。其固溶度其固溶度HHM M與固溶體平衡氫壓的平方根與固溶體平衡氫壓的平方根成正比：成正比：第一步：第一步： MHHp212固溶體進(jìn)一步與氫反應(yīng)，產(chǎn)生相變，形成氫化物相固溶體進(jìn)一步與氫反應(yīng)，產(chǎn)生相變，形成氫化物相（相）：相）：式中：式中：x x為固溶體中的氫平衡濃度，為固溶體中的氫平衡濃度，y y是合金氫化物是合金氫化物中氫的濃度，一般中氫的濃度，一般y yx x。第二步：第二步：再提高氫壓，金屬

35、中的氫含量略有增加。再提高氫壓，金屬中的氫含量略有增加。第三步：第三步：金屬與氫的反應(yīng)是一個(gè)可逆過程。金屬與氫的反應(yīng)是一個(gè)可逆過程。 正向反應(yīng)吸氫、放熱，逆向反應(yīng)釋氫、吸熱。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。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，氫在金屬中的吸收和釋放，取決于金屬和氫的相取決于金屬和氫的相平衡關(guān)系平衡關(guān)系，影響相平衡的因素為，影響相平衡的因素為溫度、壓力和組溫度、壓力和組成成。（也就是金屬吸氫生成金屬氫化物還是金屬。（也就是金屬吸氫生成金屬氫化物

36、還是金屬氫化物分解釋放氫，受溫度、壓力和合金成分的氫化物分解釋放氫，受溫度、壓力和合金成分的控制）控制） 易活化易活化，氫的，氫的吸儲(chǔ)量大吸儲(chǔ)量大； 用于用于時(shí)時(shí)生成熱盡量小生成熱盡量小，而用于，而用于時(shí)時(shí)生成熱盡量大生成熱盡量大； 在一個(gè)在一個(gè)很寬的組成范圍內(nèi)很寬的組成范圍內(nèi)，應(yīng)具有，應(yīng)具有(室溫分解壓室溫分解壓23atm)； 氫吸收和分解過程中的氫吸收和分解過程中的(滯后滯后)小；小； 氫的氫的俘獲和釋放速度快俘獲和釋放速度快； 金屬氫化物的金屬氫化物的有效熱導(dǎo)率大有效熱導(dǎo)率大； 在反復(fù)吸、放氫的循環(huán)過程中，在反復(fù)吸、放氫的循環(huán)過程中，； 對(duì)不純物如氧、氮、對(duì)不純物如氧、氮、CO、CO2、

37、水分等的水分等的； 儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)氫材料。 制造儲(chǔ)氫材料時(shí)，制造儲(chǔ)氫材料時(shí)，及及等會(huì)等會(huì)影響氫化反應(yīng)影響氫化反應(yīng)，采用，采用或或。 耐久性是指耐久性是指。向儲(chǔ)氫材料供給新的氫氣時(shí)帶。向儲(chǔ)氫材料供給新的氫氣時(shí)帶入的入的稱為稱為“”。 在吸儲(chǔ)和釋放氫的過程中，在吸儲(chǔ)和釋放氫的過程中，儲(chǔ)氫材料反復(fù)膨脹和收縮儲(chǔ)氫材料反復(fù)膨脹和收縮，從而導(dǎo)致，從而導(dǎo)致現(xiàn)象?，F(xiàn)象。 儲(chǔ)氫材料的導(dǎo)熱性儲(chǔ)氫材料的導(dǎo)熱性 在反復(fù)吸儲(chǔ)和釋放在反復(fù)吸儲(chǔ)和釋放氫的過程中，形成氫的過程中，形成，氫的可逆反應(yīng)的熱效應(yīng)氫的可逆反應(yīng)的熱效應(yīng)要求將其及時(shí)導(dǎo)出。要求將其及時(shí)導(dǎo)出。 滯后現(xiàn)象和坪域滯后現(xiàn)象和坪域 用于用于的儲(chǔ)氫的儲(chǔ)氫材料，材料，滯后現(xiàn)

38、象應(yīng)小滯后現(xiàn)象應(yīng)小，坪域宜寬坪域宜寬。 安全性安全性鎂在地殼中藏量豐富。鎂在地殼中藏量豐富。MgH2是是可供工業(yè)利用的可供工業(yè)利用的二元化合物二元化合物，而且具有，而且具有。MgH2缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：釋放溫度高釋放溫度高且且速度慢速度慢，抗抗腐蝕能力差腐蝕能力差。新開發(fā)的新開發(fā)的Mg2Ni1-xMx (M = V，Cr，Mn，F(xiàn)e， Co) 和和Mg2-xMxNi (Al， Ca) 比比MgH2的性能好。的性能好。的的潛在應(yīng)用潛在應(yīng)用在于可在于可，工業(yè)廢熱提工業(yè)廢熱提供氫化物分解所需的熱量供氫化物分解所需的熱量。人們很早就發(fā)現(xiàn)，人們很早就發(fā)現(xiàn)，與與反應(yīng)反應(yīng)生成生成REH2，這種氫化物，這種氫化物加熱

39、到加熱到1000以上以上才會(huì)分解。才會(huì)分解。而在而在中加入某些第二種金屬形中加入某些第二種金屬形成成后，后，在較低溫度下在較低溫度下也可也可，通，通常將這種合金稱為常將這種合金稱為。在已開發(fā)的一系列在已開發(fā)的一系列中，中，性能最佳性能最佳，應(yīng)用也最為廣泛應(yīng)用也最為廣泛。已擴(kuò)大到已擴(kuò)大到能源能源、化工化工、電子電子、宇航宇航、軍事軍事及及民用民用各各個(gè)方面。個(gè)方面。例如，用于例如，用于和和的的可以將工廠的廢熱等可以將工廠的廢熱等低質(zhì)熱能低質(zhì)熱能回收回收、升溫升溫，從而開辟出了人類，從而開辟出了人類有效利用有效利用各種能源的新途徑。各種能源的新途徑。利用利用釋放氫氣時(shí)釋放氫氣時(shí)，可以用作，可以用作

40、熱驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力熱驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力；采用采用可以實(shí)現(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)體積小體積小、重重量輕量輕、輸出功率大輸出功率大，可用于，可用于和和。 典型的貯氫合金典型的貯氫合金是是1969年荷蘭年荷蘭菲利浦公司發(fā)現(xiàn)的，從而引發(fā)了人們對(duì)菲利浦公司發(fā)現(xiàn)的，從而引發(fā)了人們對(duì)的研究。的研究。 以以為代表的為代表的稀土儲(chǔ)氫合金稀土儲(chǔ)氫合金被認(rèn)為被認(rèn)為是是所有儲(chǔ)氫合金中應(yīng)用性能最好的一類所有儲(chǔ)氫合金中應(yīng)用性能最好的一類。 ：初期氫化容易，反應(yīng)速度快，：初期氫化容易，反應(yīng)速度快，吸吸-放氫性能優(yōu)良。放氫性能優(yōu)良。20時(shí)氫分解壓僅幾個(gè)時(shí)氫分解壓僅幾個(gè)大氣壓。大氣壓。：鑭價(jià)格高，循環(huán)退化嚴(yán)重，易：鑭價(jià)格高，循環(huán)退化嚴(yán)重，易粉化。粉化。采

41、用采用(La，Ce， Sm)Mm可有效降低成本，但可有效降低成本，但，給使用帶來困難。，給使用帶來困難。采用采用M(Al，Cu，F(xiàn)e，Mn, Ga，In，Sn，B，Pt，Pd，Co，Cr，Ag，Ir) 是改善是改善LaNi5和和MmNi5儲(chǔ)氫性能的儲(chǔ)氫性能的重要方法。重要方法。 Ti-Ni：TiNi，Ti2Ni，TiNi-Ti2Ni，Ti1-yZryNix，TiNi-Zr7Ni10，TiNiMmTi-Fe： 價(jià)廉價(jià)廉，儲(chǔ)氫量大儲(chǔ)氫量大，室溫氫分，室溫氫分解壓只有幾個(gè)大氣壓，很合乎使用要求。解壓只有幾個(gè)大氣壓，很合乎使用要求。但是但是活化困難活化困難，易中毒易中毒。Ti-Mn：粉化嚴(yán)重粉化嚴(yán)重，

42、中毒再生性差中毒再生性差。添。添加少量其它元素加少量其它元素(Zr, Co, Cr, V)可進(jìn)一步改善可進(jìn)一步改善其性能。其性能。其中，其中，TiMn1.5Si0.1，Ti0.9Zr0.2Mn1.40Cr0.4 具有很好的儲(chǔ)氫性能。具有很好的儲(chǔ)氫性能。另外，另外，也是發(fā)展的方向。也是發(fā)展的方向。 具有具有吸氫量高吸氫量高，反應(yīng)速度快反應(yīng)速度快，易活化易活化，無滯后效應(yīng)無滯后效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。等優(yōu)點(diǎn)。但是，但是，氫化物生成熱大氫化物生成熱大，吸放氫平臺(tái)壓吸放氫平臺(tái)壓力低力低，價(jià)貴價(jià)貴，限制了它的應(yīng)用。，限制了它的應(yīng)用。 ZrV2，ZrCr2，ZrMn2 儲(chǔ)氫量比儲(chǔ)氫量比型合金大，平衡分解壓低。型合金大

43、，平衡分解壓低。Zr(Mn，Ti，F(xiàn)e)2和和Zr (Mn，Co，Al)2合合金適合于作金適合于作。 Ti17Zr16Ni39V22Cr7 已成功用于已成功用于，有有寬廣的元素替代容限寬廣的元素替代容限，設(shè)計(jì)不同的合金成分，設(shè)計(jì)不同的合金成分用來滿足用來滿足高容量高容量，高放電率高放電率，長(zhǎng)壽命長(zhǎng)壽命，低成本低成本不同的要求。不同的要求。 19981998年年, , 國(guó)際能源機(jī)構(gòu)國(guó)際能源機(jī)構(gòu) (IEA)(IEA)確定了未來新型儲(chǔ)確定了未來新型儲(chǔ)氫材料的標(biāo)準(zhǔn)，其儲(chǔ)氫容量應(yīng)大于氫材料的標(biāo)準(zhǔn)，其儲(chǔ)氫容量應(yīng)大于5wt%5wt%，并且能，并且能在溫和的條件下吸放氫。在溫和的條件下吸放氫。 根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)根

44、據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn), , 目前的儲(chǔ)氫合金大多尚不能滿足目前的儲(chǔ)氫合金大多尚不能滿足這一性能要求。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)行改良外進(jìn)行改良外, , 也一直在致力于尋找新的固態(tài)儲(chǔ)氫也一直在致力于尋找新的固態(tài)儲(chǔ)氫方式方式. .（五）其他的貯氫材料（五）其他的貯氫材料1)1)碳納米管碳納米管(Carbon Nanotubules(Carbon Nanotubules) ) 碳納米管是一種具有很大表面積的碳材。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；當(dāng)氫到達(dá)材料表面時(shí)，一方面被吸附在材料表面

45、上；另一方面在毛細(xì)力的作用下另一方面在毛細(xì)力的作用下, , 被壓縮到微孔中被壓縮到微孔中, , 由氣由氣態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)。態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在表明，在82K82K和和0.07MPa0.07MPa的氫壓下，儲(chǔ)氫量可達(dá)的氫壓下，儲(chǔ)氫量可達(dá)8.4wt.%8.4wt.%。研究人員正致。研究人員正致力改善這種材料在室溫力改善這種材料在室溫附近的儲(chǔ)氫性能。附近的儲(chǔ)氫性能。 2)2)石墨納米纖維石墨納米纖維 典型尺寸為典型尺寸為5 5100m100m，直徑為，直徑為5 5100nm100nm。其儲(chǔ)氫密。其儲(chǔ)氫密度可達(dá)度可達(dá)75wt.%75wt.%，即，即1 1克石墨納米纖維可儲(chǔ)氫克石墨納米纖維可儲(chǔ)

46、氫3 3克?？恕?目前這種材料的研究還處在實(shí)驗(yàn)室階段，尚有不足之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。處。 石墨納米纖維及其吸氫過程石墨納米纖維及其吸氫過程3)3)碳凝膠碳凝膠(Carbon Aerogels(Carbon Aerogels) ) 碳凝膠是一種類似于泡沫塑料的物質(zhì)。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。態(tài)的基體。通常它是由間苯二酚和甲醛溶液經(jīng)過縮聚作用后，通常它是由間苯二酚和甲醛溶液經(jīng)過縮聚作用后，在在10501050的高溫和惰性氣氛中進(jìn)行超的高溫和惰性氣

47、氛中進(jìn)行超臨界分離和熱解而得到的。這種材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)，其微孔尺寸料具有納米晶體結(jié)構(gòu)，其微孔尺寸小于小于 2nm2nm。最近試驗(yàn)結(jié)果表明。最近試驗(yàn)結(jié)果表明, , 在在8.3MPa8.3MPa的高壓下的高壓下, ,其儲(chǔ)氫量可達(dá)其儲(chǔ)氫量可達(dá)3.7wt.%3.7wt.%。作為載體的碳凝膠作為載體的碳凝膠4 4）玻璃微球）玻璃微球 這種材料的尺寸在這種材料的尺寸在25500m25500m之之間間, , 球壁厚度僅球壁厚度僅1m, 1m, 在在200200400400范圍內(nèi)，材料的穿透性增大，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使得氫氣可在一定壓力的

48、作用下浸入到玻璃體中。當(dāng)溫度降至室溫附入到玻璃體中。當(dāng)溫度降至室溫附近時(shí)，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)，這種材料在氫氣。研究發(fā)現(xiàn)，這種材料在62MPa62MPa氫壓條件下，儲(chǔ)氫壓條件下，儲(chǔ)氫可達(dá)氫可達(dá)10wt.%10wt.%，經(jīng)檢測(cè)，經(jīng)檢測(cè)95%95%的微球中都含有氫，而且的微球中都含有氫，而且在在370370時(shí)，時(shí)，1515分鐘內(nèi)可完成整個(gè)吸氫或放氫過程。分鐘內(nèi)可完成整個(gè)吸氫或放氫過程。玻璃微球的玻璃微球的SEM形貌形貌氫與金屬間化合物氫與金屬間化合物在生成在生成和和的過程中，可以產(chǎn)生以下功能：的過程中，可以

49、產(chǎn)生以下功能：(1)有熱的吸收和釋放現(xiàn)象，氫可作為一有熱的吸收和釋放現(xiàn)象，氫可作為一種種加以利用；加以利用；(2)熱的釋放與吸收也可作為一種熱的釋放與吸收也可作為一種加以利用；加以利用；(3)在一在一密封容器中密封容器中，金屬氫化物所釋，金屬氫化物所釋放出放出有一定關(guān)系，利用這有一定關(guān)系，利用這種壓力可做種壓力可做；(4)金屬氫化物在吸收氫過程中還伴隨金屬氫化物在吸收氫過程中還伴隨著著，可直接產(chǎn)生電能，可直接產(chǎn)生電能，這就是這就是。 充分利用這充分利用這、四大功四大功能，可以能，可以開發(fā)新產(chǎn)品開發(fā)新產(chǎn)品；同時(shí)，吸、放氫多次后，同時(shí)，吸、放氫多次后，表面性能表面性能非常活潑，用作非常活潑，用作很

50、有潛力，這種表面效應(yīng)功能也很有開很有潛力，這種表面效應(yīng)功能也很有開發(fā)前途。發(fā)前途。金屬氫化物貯氫材料的應(yīng)用領(lǐng)域很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，下面介多，而且還在不斷發(fā)展之中，下面介紹紹的幾個(gè)主要方面。的幾個(gè)主要方面。用高貯氫量的貯氫材料以及高強(qiáng)鋁合金貯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、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。氫凈化、氫運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。利用貯氫材料吸收氫的特性，可從氯利用貯氫材料吸收氫的特

51、性，可從氯堿、合成氨的工業(yè)廢氣中回收氫；可方便堿、合成氨的工業(yè)廢氣中回收氫；可方便而廉價(jià)地獲取超高純而廉價(jià)地獲取超高純H2(99.9999)，實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)氫的凈化；還可將難與氫分離的氣體，如氫的凈化；還可將難與氫分離的氣體，如氦經(jīng)濟(jì)地分離出來，無須慣用的深冷方法氦經(jīng)濟(jì)地分離出來，無須慣用的深冷方法而實(shí)現(xiàn)氫的分離；而實(shí)現(xiàn)氫的分離；可用于吸收核反應(yīng)堆的重水慢化器及冷可用于吸收核反應(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)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吸收的氫同位索

52、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)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，即氫的同位素分離現(xiàn)氫氘分離，即氫的同位素分離。利用氫化物的平衡壓力隨溫度指數(shù)變化的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，無運(yùn)轉(zhuǎn)部件，即可制高壓氫，所用設(shè)備簡(jiǎn)單，無運(yùn)轉(zhuǎn)部件，無噪聲，用于此目的貯氫合金稱為靜態(tài)壓縮機(jī)。無噪聲，用于此目的貯氫合金稱為靜態(tài)壓縮機(jī)。利用貯氫材料的熱效應(yīng)和平臺(tái)壓力的溫度利用貯氫材

53、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。作能源，即可進(jìn)行供熱、發(fā)電、空調(diào)和制冷。過去一股為過去一股為2段式熱泵，段式熱泵，1次升溫，現(xiàn)發(fā)展成次升溫，現(xiàn)發(fā)展成3段式熱泵，段式熱泵，2次升溫，可使次升溫，可使6590廢熱水升溫廢熱水升溫至至130 或更高，可直接用于產(chǎn)生蒸氣再發(fā)電，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，并可充分利用環(huán)境熱，制成新型空調(diào)器和冰箱，可節(jié)能可節(jié)能80。金屬氫化物熱泵的推廣與金屬氫化物成金屬氫化物熱泵的推廣與金屬氫化物成本和熱交換器

54、的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。日本最近提本和熱交換器的結(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)的金屬氫化物泵，它只用一種廉價(jià)的金屬氫化物(如如TiFe等等)與一臺(tái)無油壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)氫的吸入，從而簡(jiǎn)化與一臺(tái)無油壓縮機(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。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，降低成本。貯氫材料可用作加氫和脫氫反應(yīng)的催貯氫材料可用作加氫和脫氫反應(yīng)的催化劑，如化劑，如LaNi5、TiFe用作常溫常壓合成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。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，提高燃料電池它可降低電解水時(shí)的能

55、耗，提高燃料電池的效率。的效率。22)(21OHNiHNiOH放電放電充電充電出于鎘有毒，鎳鎘高容量可再充式電池因出于鎘有毒，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)過程是：屬氫化物鎳氫電池發(fā)展迅速，基本化學(xué)過程是：如以貯氫材料作電極材料，則放電時(shí)從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)等最高貯氫量可達(dá)260cm3/g的材料、放電量可比鎳鎘電池高的材料、放電量可比鎳鎘電池高1.8倍，可充倍，

56、可充放電放電1000次以上。這類電池在宇航、手提式次以上。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。已得到廣泛應(yīng)用。 貯氫材料的氫平衡壓隨溫度升高而升高的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)。效應(yīng)可以用作溫度計(jì)。從貯氫材料的從貯氫材料的p-T曲線找到曲線找到p與與T的對(duì)應(yīng)關(guān)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將小型貯氫器上的壓力表盤改為溫度指示系，將小型貯氫器上的壓力表盤改為溫度指示盤、經(jīng)校正后即可制成溫度指示器，這種溫度盤、經(jīng)校正后即可制成溫度指示器，這種溫度計(jì)體積小，不怕震動(dòng)，而且還可以通過毛細(xì)管計(jì)體積小，不怕震動(dòng)，而且還可

57、以通過毛細(xì)管在較遠(yuǎn)的距離上精確測(cè)定溫度。這種溫度計(jì)已在較遠(yuǎn)的距離上精確測(cè)定溫度。這種溫度計(jì)已廣泛用于各種飛機(jī)。廣泛用于各種飛機(jī)。貯氫材料的溫度壓力效應(yīng)還可以用作機(jī)貯氫材料的溫度壓力效應(yīng)還可以用作機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)的激發(fā)器、控制格和動(dòng)力源、器人動(dòng)力系統(tǒng)的激發(fā)器、控制格和動(dòng)力源、其特點(diǎn)是沒有旋轉(zhuǎn)式傳動(dòng)部件，因此反應(yīng)靈其特點(diǎn)是沒有旋轉(zhuǎn)式傳動(dòng)部件，因此反應(yīng)靈敏、便于護(hù)制、反彈和振動(dòng)小，還可用于抑敏、便于護(hù)制、反彈和振動(dòng)小，還可用于抑制溫度的各種開關(guān)裝置。制溫度的各種開關(guān)裝置。此外，金屬氫化物貯氫材料還可以用作此外，金屬氫化物貯氫材料還可以用作吸氣劑，絕熱采油管，微型壓縮致冷器等。吸氣劑，絕熱采油管，微型壓

58、縮致冷器等。貯氫合金的缺點(diǎn)及需解決的問題貯氫合金的缺點(diǎn)及需解決的問題 1 1、目前的合金吸氫量不大，需開發(fā)高貯氫量合金。、目前的合金吸氫量不大，需開發(fā)高貯氫量合金。 2 2、需開發(fā)初始活化條件優(yōu)良的易吸氫的貯氫合金。、需開發(fā)初始活化條件優(yōu)良的易吸氫的貯氫合金。 3 3、目前的合金吸氫作用不能在空氣中進(jìn)行，耐毒性差、目前的合金吸氫作用不能在空氣中進(jìn)行，耐毒性差( (氫以外氣體使吸氫能力下降氫以外氣體使吸氫能力下降) )，需開發(fā)耐毒化合金。，需開發(fā)耐毒化合金。 4 4、反復(fù)使用時(shí)穩(wěn)定性差、反復(fù)使用時(shí)穩(wěn)定性差, , 不能隨意改變壓力不能隨意改變壓力- -溫度關(guān)溫度關(guān)系系. .5 5、重視非晶貯氫合金開發(fā)、重視非晶貯氫合金開發(fā). .6 6、降低材料的成本，節(jié)約貴重金屬資源。、降低材料的成本，節(jié)約貴重金屬資源。7.貯氫材料的粉化。貯氫材料的粉化。由于貯氫材料在吸氫時(shí)晶格膨脹，放氫時(shí)由于貯氫材料在吸氫時(shí)晶格膨脹，放氫時(shí)晶格收縮、如反復(fù)吸收氫，則材料可因反復(fù)形晶格收縮、如反復(fù)吸收氫，則材料可因反復(fù)形變而逐漸變成粉末。細(xì)粉末狀態(tài)的貯氫材料在變而逐漸變成粉末。細(xì)粉末狀態(tài)的貯氫材料在放氫時(shí)，不僅將導(dǎo)致氫氫流勸受阻，而且還可放氫時(shí)，不僅將導(dǎo)致氫氫流勸受阻，而且還可能隨氫氣流