储氢料和梯功能材料

第一节功能梯度材料梯度功能材料概念的提出是应航天航空的需要，能在极限环境下正常工作而发展起来的一种新型功能材料。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，缩写FGM)是两种或多种材料复合成组分和结构呈连续梯度变化的一种新型复合材料；它要求功能、性能随内部位置的变化而变化，实现功能梯度的材料。当前1页，总共108页。功能梯度材料作为一个规范化正式概念，于1984年由日本国立宇航实验室提出。航天飞机中，燃烧室内外表面温差达到1000K以上，普通的金属材料难以满足这种苛刻的使用环境。航天飞机飞行时预想的表面温度当前2页，总共108页。梯度功能材料主要特征有：材料的组分和结构呈连续性梯度变化；材料内部没有明显的界面；材料的性质也呈连续性梯度变化。ZrO2-CrNi合金FGM横截面，白色的陶瓷粉末与黑色的合金粉末含量呈连续性梯度变化，没有明显的界面，当前3页，总共108页。1987年，日本平井敏雄、新野正之和渡边龙三人提出使金属和陶瓷复合材料的组分、结构和性能呈连续变化的热防护梯度功能材料的概念。1990年，日本召开第一届梯度功能材料国际研讨会。梯度复合管当前4页，总共108页。1993年，美国国家标准技术研究所开始以“开发超高温耐氧化保护涂层”为目标进行梯度功能材料研究。通过改变复合两相的配制，在复合材料内部形成精细的构造梯度。1995年德国发起一项六年国家协调计划，主要研究功能梯度材料的制备。梯度功能材料已经发展成为当前结构材料和功能材料研究领域中的重要主题之一。摩擦升温后，梯度材料变化较小，普通材料则变成兰紫色当前5页，总共108页。竹子是一种典型的梯度功能材料，人类和动物身体中的骨骼也是一种梯度材料，其特点是结构中的最强单元承受最高的应力。生物的梯度结构与人造梯度结构之间存在很大差异。有生命的FGM是“智能的”，它们能感受所处环境的变化(包括局部应力集中)，产生相应的结构修改，而人造梯度材料至少在目前还缺乏这种功能。当前6页，总共108页。越王勾践剑深埋地下2400多年，1965年冬出土时依旧寒光逼人，锋利无比。1977年12月，复旦大学与中科院等对剑进行了无损检测。主要成分是铜、锡及少量的铝、铁、镍、硫。剑的各个部位铜和锡的比例不一。剑脊含铜较多，韧性好，不易折断；刃部含锡高，硬度大，使剑非常锋利；花纹处含硫高，硫化铜可防锈蚀。形成了良好的成分梯度。当前7页，总共108页。梯度材料与复合材料的区别材料复合材料梯度材料设计思想组分优点的复合特殊功能为目标组织结构0.1m-1m10nm-10mm结合方式分子间力分子间力/物理键/化学键微观组织非均质均质/非均质宏观组织均质非均质功能一致梯度化当前8页，总共108页。梯度功能材料分类

1）组合方式上分： 金属/金属 金属／陶瓷、 金属／非金属、 陶瓷／陶瓷、 陶瓷／非金属 非金属／塑料 当前9页，总共108页。2）组成变化上分：

（1）梯度功能整体型(从一侧到另一侧组成梯度变化)（2）梯度功能涂履型(涂层的组成梯度变化)（3）梯度功能连接型(粘接接缝的组成梯度变化)3）功能上分：

（1）热防护梯度功能材料（2）折射率梯度功能材料当前10页，总共108页。梯度功能材料的制备方法

当前11页，总共108页。梯度功能材料的制备技术和方法，综合了超细、超微细粉、均质或非均质复合材树等微观结构控制技术和生产技术。化学气相沉积法(CVD)物理蒸镀法(PVD)等离子喷涂法(PS)自蔓延高温合成法(SHS)粉末冶金法激光熔覆法化学气相渗透法(CVI)电解析出法等当前12页，总共108页。化学气相沉积法两种气相物质在反应器中均匀混合，在一定条件下发生化学反应，使生成的固相物质在基板上沉积以制备FGM的方法。CVD法可通过选择合成温度、调节原料气流量和压力等来控制FGM各组元的成分和结构，而且可镀复杂形状的表面；沉积面光滑致密，沉积率高，成为制备复杂结构的FGM涂层关键技术之一。CVD工艺原理图当前13页，总共108页。将含金属/非金属卤化物的原料气体进行均匀混合，在一定条件下发生反应，使生成物沉积在基板上。目前，己用CVD法制备出厚度为0.4-2mm的SiC/C、TiC/C、SiC/TiC、A1/C系FGM。化学沉积系统化学沉积立方ZrO2/C梯度材料当前14页，总共108页。物理蒸镀法PVD法可制备多层不同物质的膜；PVD法得到的膜较薄，每层膜是单纯某物系；目前已制出TiC/Ti、TiN/Ti、CrN/Cr、TiAlN/Ti和SiC/C/TiN等多层梯度功能材料。PVD镀膜器件当前15页，总共108页。等离子喷涂法等离子体喷涂能同时熔化难熔相和金属，通过控制两种粉末的相对供给速率来预先设置混合比率。使用粉末作为喷涂材料，以氦气、氩气等气体为载体，吹入高温等离子体射流。等离子体射流把能量传递给颗粒，粉末被熔融后进一步加速，高速冲撞在基材表面形成涂层。高速使颗粒撞到固体基底上时变得相当扁平，使涂层具有相对低的孔隙率。等离子喷涂当前16页，总共108页。等离子喷涂适合形状复杂表面的梯度涂覆加工。在基板上喷涂单层NiCr合金粉末；再用10%ZrO2粉和90％NiCr合金粉末喷涂；在配料中逐步减少合金粉末；最后用100％ZrO2粉末喷涂。此技术已用于飞机喷气发动机和相关材料的表面改性，材料表面能承受1100-1300℃的高温，内外侧温差达到500-600℃。日本采用等离子喷涂技术喷涂ZrO2/Y2O陶瓷粉末和Ni-Cr-Al-Y合金粉末，形成梯度涂层，明显提高基体金属的隔热性和耐热疲劳性。当前17页，总共108页。自蔓延高温合成法该法的特点最适合于生成热大的化合物的合成．如AlN、TiC、TiB2等。自蔓延高温合成自蔓延合成材料当前18页，总共108页。日本采用连续成型的电磁加压自蔓延技术合成TiB2/Cu、TiC/Ni等梯度功能材料。我国采用爆炸压实自蔓延高温合成技术制备了Al2O3/Ti系梯度功能材料，组织结构呈梯度变化，理论密度提高到94%。当前19页，总共108页。颗粒梯度排列法将金属、陶瓷等粉末按一定梯度分布直接填充到模具中加压烧结；也可将不同组分粉末压成薄膜/片后进行叠层烧结。控制各组分混合比，使压后的粉坯梯度层间任一组分浓度变化较小，梯度层间接合紧密。调节粉末粒度分布和烧结工艺，可得良好热应力缓和的梯度功能材料。通过粉末混合烧结形成的FGM结构示意图当前20页，总共108页。日本东北大学采用金属颗粒层-中间过渡颗粒层-陶瓷颗粒层的梯度模型，耐高温一侧采用氧化物、氮化物和碳化物耐热陶瓷颗粒，在低温侧采用比强度高的Al、Ti合金颗粒或难熔金属W、Mo和导热性好的Cu、Ni、Co等颗粒，中间层为金属和陶瓷颗粒，其组成浓度按一定梯度分布调制。由于中间层的存在，缓和了热应力，解决了金属和陶瓷结合不牢和易开裂的问题。当前21页，总共108页。TiC-TI3SIC2材料制备当前22页，总共108页。激光熔覆把材料A放到基底B表面上，用激光将其与B基体中表面薄层一起熔化，在B表面形成B合金化的A层。重复操作，在B表面产生B含量逐渐减少的梯度。梯度变化可通过控制初始A层的数量、厚度及熔区深度来获得。激光熔覆将材料A合金化到材料B制备FGM示意图当前23页，总共108页。功能梯度材料的应用当前24页，总共108页。航天工业航天飞机在往返大气层的过程中，机头前端和机翼前沿服役温度约2000K，冷表面的温度低于1000K。把直径为1~1.5m的高纯石英纤维加压成型，1290℃烧成后再按要求切成外形不同、大小不等的“砖块”，粘贴到航天飞机蒙皮上。这种复合材料防热系统的重复使用性、可靠性等存在很大问题。发现号航天飞机的陶瓷热防护盔甲当前25页，总共108页。2003年2月1日，“哥伦比亚”号航天飞机爆炸，原因就是这架航天飞机左翼在起飞时遭到从燃料箱上脱落的泡沫绝缘材料撞击，造成机体表面隔热保护层出现了大面积松动和破损，形成可让“热气进入的空洞”，返航途中因超高温空气入侵而彻底解体。起飞时燃料箱上的脱落物击中机翼飞机的左翼上有两条清晰的裂纹

当前26页，总共108页。在两种表面按照基体/陶瓷比率设计具有梯度的金属基或碳基复合结构可解决上述问题。设计梯度热防护功能材料当前27页，总共108页。90年代初，日本开发了为小动力火箭燃烧器和热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，用作马赫数大于20的并可重复使用的航天飞机机身材料。空天飞机高速飞行时机身和机翼的温度也高达上千K，只能采用热防护梯度材料解决热应力问题。梯度功能材料也可用于普通飞机的喷气燃烧器。空天飞机火箭燃烧室当前28页，总共108页。在舰船甲板上可采用含热障的、抗摩擦或抗冲击的梯度功能材料涂层，或设计连续增强纤维排列的逐级梯度，显著提高它们的缺口阻力，抑制微观裂纹扩张，大幅改善甲板的抗高应变速率变形和冲击性能，对舰船的防护及搭载飞行器具有重要意义。航空母舰甲板船舶工业当前29页，总共108页。为对柴油机或汽油机活塞头进行热保护，需在钢基底上喷涂厚度大于2mm的ZrO2涂层。如果直接在金属上覆盖陶瓷，在构件投入使用前就会导致界面脱层。通过覆盖一些陶瓷含量不断增加的金属-陶瓷复合梯度涂层，可保证涂层力学完整性，保护活塞。柴油机活塞头汽油机活塞头汽车工业当前30页，总共108页。能源工业核反应堆内壁温度高达数千K，其内壁材料采用单纯双层结构，热传导不好，孔洞较多，热应力下有剥离倾向。采用金属/陶瓷结合的梯度材料，能消除热传递及热膨胀引起的应力，解决界面问题，可替代目前不锈钢/陶瓷复合材料。核反应堆当前31页，总共108页。固体氧化物燃料电池堆的新型设计是采用金属/陶瓷的多层梯度结构，它们与金属整体互连。组分梯度性过渡可有效减小电池充放电对电极材料引起的微观应力，延长电池使用寿命，有效降低成本，简化制造。燃料电池当前32页，总共108页。光学器件工业梯度功能材料推动一个新的光学分支-梯度折射率光学的形成，在光学器件中有大量应用。梯度折射率透镜体积小、焦距短、消像差性好，组成的光学系统可大大减少非球面组件数，简化光学器件结构。梯度折射率光纤可以自聚焦，提高耦合效率。梯度折射透镜棒透镜当前33页，总共108页。下表列出了梯度折射光学材料的一些应用例子。光学器件系统设计或应用的例子成像系统准直透镜、施密特校正镜、摄影透镜、显微镜、望远镜复印机系统棒透镜系列内窥镜系统医用内窥镜光通信系统自聚焦光纤、连接器、分路器、光开关、光衰减器、光波导器件、激光二极管光盘系统拾音透镜、拾像透镜光计算机系统微型光学元件梯度折射率材料的应用当前34页，总共108页。生物医学工业羟基磷灰石(HA)陶瓷和钛或Ti-6Al-4V合金组成的梯废功能材料可作为仿生人工关节和牙齿。HA是生物相容性优良的生物活性陶瓷，钛及其合金生物相容性也很好，强度高，人造牙的齿根外表采用耐磨性优良的HA陶瓷，内部采用可承受较大变形的钛或Ti-6Al-4V合金。梯度功能材料制成的人造牙当前35页，总共108页。HA含量从外表面到内表面逐渐减少，形成HA-玻璃-钛功能梯度复合材料。烧结后特别适于植入人体，在保证良好的生物相容性的同时提供一定的支撑强度，还可以显著提高牙齿的缺口阻力，抑制微观裂纹损伤。HA-玻璃-钛功能梯度复合材料截面示意图当前36页，总共108页。电子材料PZT压电陶瓷广泛用于制造超声波振子、陶瓷滤波器等电子元件，但其在温度稳定性和失真振荡方面存在一定问题。通过调整材料组成，使其梯度化，就能使压电系数和温度系数等得到最恰当的分配，提高压电器件的性能和寿命。压电陶瓷器件当前37页，总共108页。第二节储氢材料

1、能源危机与环境问题化石能源的有限性与人类需求的无限性－石油、煤炭等主要能源将在未来数十年至数百年内枯竭！！！（科技日报，2004年2月25日，第二版）化石能源的使用正在给地球造成巨大的生态灾难－温室效应、酸雨等严重威胁地球动植物的生存！！！人类的出路何在？－新能源研究势在必行！！当前38页，总共108页。2、氢能的特点氢是自然界中最普遍的元素，资源无穷无尽－不存在枯竭问题氢的燃烧值高，燃烧产物是水－零排放，无污染

，可循环利用氢的燃烧能以高效和可控的方式进行氢能的利用途径多－燃烧放热或电化学发电氢的储运方式多－气体、液体、固体或化合物当前39页，总共108页。如果进一步用太阳能以海水制氢，则可实现无公害能源系统。此外，氢还可以作为贮存其他能源的媒体，通过利用过剩电力进行电解制氢，实现能源贮存。当前40页，总共108页。固态储氢的优势：体积储氢容量高无需高压及隔热容器安全性好，无爆炸危险可得到高纯氢，提高氢的附加值当前41页，总共108页。体积比较当前42页，总共108页。在以氢作为能源媒体的氢能体系中，氢的贮存与运输是实际应用中的关键。贮氢材料就是作为氢的贮存与运输媒体而成为当前材料研究的一个热点项目。当前43页，总共108页。贮氢材料(Hydrogenstoragematerials)是在通常条件下能可逆地大量吸收和放出氢气的特种金属材料。当前44页，总共108页。

贮氢材料的作用相当于贮氢容器。

贮氢材料在室温和常压条件下能迅速吸氢(H2)并反应生成氢化物，使氢以金属氢化物的形式贮存起来，在需要的时候，适当加温或减小压力使这些贮存着的氢释放出来以供使用。当前45页，总共108页。贮氢材料中，氢密度极高，下表列出几种金属氢化物中氢贮量及其他氢形态中氢密度值。当前46页，总共108页。(1)相对氢气瓶重量从表中可知，金属氢化物的氢密度与液态氢、固态氢的相当，约是氢气的1000倍。当前47页，总共108页。

另外，一般贮氢材料中，氢分解压较低，所以用金属氢化物贮氢时并不必用101.3MPa(1000atm)的耐压钢瓶。当前48页，总共108页。可见，利用金属氢化物贮存氢从容积来看是极为有利的。但从氢所占的质量分数来看，仍比液态氢、固态氢低很多，尚需克服很大困难，尤其体现在对汽车工业的应用上。当前49页，总共108页。

当今汽车工业给环境带来恶劣的影响，因此汽车工业一直期望用以氢为能源的燃料电池驱动的环境友好型汽车来替代。当前50页，总共108页。对于以氢为能源的燃料电池驱动汽车来说，不仅要求贮氢系统的氢密度高，而且要求氢所占贮氢系统的质量分数要高(估算须达到(H)=6.5％)，当前的金属氢化物贮氢技术还不能满足此要求。因此，高容量贮氢系统是贮氢材料研究长期探求的目标。当前51页，总共108页。

贮氢材料的发现和应用研究始于20世纪60年代，1960年发现镁(Mg)能形成MgH2，其吸氢量高达(H)＝7.6％，但反应速度慢。当前52页，总共108页。1964年，研制出Mg2Ni，其吸氢量为(H)=3.6％，能在室温下吸氢和放氢，250℃时放氢压力约0.1MPa，成为最早具有应用价值的贮氢材料。当前53页，总共108页。同年在研究稀土化合物时发现了LaNi5具有优异的吸氢特性;1974年又发现了TiFe贮氢材料。LaNi5和TiFe是目前性能最好的贮氢材料。当前54页，总共108页。（一）贮氢原理当前55页，总共108页。先吸收少量氢，形成含氢固溶体（α相）。其固溶度[H]M与固溶体平衡氢压的平方根成正比：第一步：当前56页，总共108页。固溶体进一步与氢反应，产生相变，形成氢化物相（β相）：式中：x为固溶体中的氢平衡浓度，y是合金氢化物中氢的浓度，一般y≥x。第二步：再提高氢压，金属中的氢含量略有增加。第三步：当前57页，总共108页。金属与氢的反应是一个可逆过程。正向反应吸氢、放热，逆向反应释氢、吸热。改变温度和压力条件可使反应按正向、逆向反复进行，实现材料的稀释氢功能。氢在金属中的吸收和释放，取决于金属和氢的相平衡关系，影响相平衡的因素为温度、压力和组成。（也就是金属吸氢生成金属氢化物还是金属氢化物分解释放氢，受温度、压力和合金成分的控制）当前58页，总共108页。(二)储氢材料应具备的条件

①易活化，氢的吸储量大；②用于储氢时生成热尽量小，而用于蓄热时生成热尽量大；③在一个很宽的组成范围内，应具有稳定合适的平衡分解压(室温分解压2~3atm)；当前59页，总共108页。

④氢吸收和分解过程中的平衡压差(滞后)小；⑤氢的俘获和释放速度快；⑥金属氢化物的有效热导率大；当前60页，总共108页。⑦在反复吸、放氢的循环过程中，合金的粉化小，性能稳定性好；⑧对不纯物如氧、氮、CO、CO2、水分等的耐中毒能力强；⑨储氢材料价廉。

当前61页，总共108页。(三)影响储氢材料吸储能力的因素

①活化处理制造储氢材料时，表面被氧化物覆盖及吸附着水和气体等会影响氢化反应，采用加热减压脱气或高压加氢处理。当前62页，总共108页。

②耐久性和中毒

耐久性是指储氢材料反复吸储的性质。向储氢材料供给新的氢气时带入的不纯物使吸储氢的能力下降称为“中毒”。

③粉末化

在吸储和释放氢的过程中，储氢材料反复膨胀和收缩，从而导致出现粉末现象。当前63页，总共108页。④储氢材料的导热性在反复吸储和释放氢的过程中，形成微粉层使导热性能很差，氢的可逆反应的热效应要求将其及时导出。⑤滞后现象和坪域用于热泵系统的储氢材料，滞后现象应小，坪域宜宽。⑥安全性当前64页，总共108页。(四)储氢材料的种类

①镁系合金②稀土系合金③钛系合金④锆系合金当前65页，总共108页。①镁系合金镁在地壳中藏量丰富。MgH2是唯一一种可供工业利用的二元化合物，价格便宜，而且具有最大的储氢量。MgH2缺点：释放温度高且速度慢，抗腐蚀能力差。当前66页，总共108页。

新开发的镁系吸氢合金Mg2Ni1-xMx(M=V，Cr，Mn，Fe，Co)和Mg2-xMxNi(Al，Ca)比MgH2的性能好。当前67页，总共108页。

镁系吸氢合金的潜在应用在于可有效利用250～400℃的工业废热，工业废热提供氢化物分解所需的热量。

当前68页，总共108页。②稀土系合金人们很早就发现，稀土金属与氢气反应生成稀土氢化物REH2，这种氢化物加热到1000℃以上才会分解。而在稀土金属中加入某些第二种金属形成合金后，在较低温度下也可吸放氢气，通常将这种合金称为稀土贮氢合金。当前69页，总共108页。在已开发的一系列贮氢材料中，稀土系贮氢材料性能最佳，应用也最为广泛。

稀土系贮氢材料的应用领域已扩大到能源、化工、电子、宇航、军事及民用各个方面。当前70页，总共108页。例如，用于化学蓄热和化学热泵的稀土贮氢合金可以将工厂的废热等低质热能回收、升温，从而开辟出了人类有效利用各种能源的新途径。当前71页，总共108页。利用稀土贮氢材料释放氢气时产生的压力，可以用作热驱动的动力；采用稀土贮氢合金可以实现体积小、重量轻、输出功率大，可用于制动器升降装置和温度传感器。当前72页，总共108页。典型的贮氢合金LaNi5是1969年荷兰菲利浦公司发现的，从而引发了人们对稀土系储氢材料的研究。当前73页，总共108页。以LaNi5

为代表的稀土储氢合金被认为是所有储氢合金中应用性能最好的一类。

优点：初期氢化容易，反应速度快，吸-放氢性能优良。20℃时氢分解压仅几个大气压。

缺点：镧价格高，循环退化严重，易粉化。当前74页，总共108页。采用混合稀土(La，Ce，Sm)Mm替代La可有效降低成本，但氢分解压升高，滞后压差大，给使用带来困难。采用第三组分元素M(Al，Cu，Fe，Mn,Ga，In，Sn，B，Pt，Pd，Co，Cr，Ag，Ir)替代部分Ni是改善LaNi5和MmNi5储氢性能的重要方法。当前75页，总共108页。③钛系合金Ti-Ni：TiNi，Ti2Ni，TiNi-Ti2Ni，Ti1-yZryNix，TiNi-Zr7Ni10，TiNiMmTi-Fe：

价廉，储氢量大，室温氢分解压只有几个大气压，很合乎使用要求。但是活化困难，易中毒。当前76页，总共108页。Ti-Mn：粉化严重，中毒再生性差。添加少量其它元素(Zr,Co,Cr,V)可进一步改善其性能。其中，TiMn1.5Si0.1，Ti0.9Zr0.2Mn1.40Cr0.4具有很好的储氢性能。另外，四、五元合金也是发展的方向。

当前77页，总共108页。④锆系合金

锆系合金具有吸氢量高，反应速度快，易活化，无滞后效应等优点。但是，氢化物生成热大，吸放氢平台压力低，价贵，限制了它的应用。

AB2→ZrV2，ZrCr2，ZrMn2储氢量比AB5型合金大，平衡分解压低。当前78页，总共108页。Zr(Mn，Ti，Fe)2和Zr(Mn，Co，Al)2合金适合于作热泵材料。Ti17Zr16Ni39V22Cr7已成功用于镍氢电池，有宽广的元素替代容限，设计不同的合金成分用来满足高容量，高放电率，长寿命，低成本不同的要求。当前79页，总共108页。1998年,国际能源机构(IEA)确定了未来新型储氢材料的标准，其储氢容量应大于5wt%，并且能在温和的条件下吸放氢。根据这一标准,目前的储氢合金大多尚不能满足这一性能要求。因此世界各国的科学家除对现有金属基储氢材料进行改良外,也一直在致力于寻找新的固态储氢方式.（五）其他的贮氢材料当前80页，总共108页。1)碳纳米管(CarbonNanotubules)碳纳米管是一种具有很大表面积的碳材。当氢到达材料表面时，一方面被吸附在材料表面上；另一方面在毛细力的作用下,被压缩到微孔中,由气态变为固态。实验结果表明，在82K和0.07MPa的氢压下，储氢量可达8.4wt.%。研究人员正致力改善这种材料在室温附近的储氢性能。当前81页，总共108页。2)石墨纳米纤维典型尺寸为5～100μm，直径为5～100nm。其储氢密度可达75wt.%，即1克石墨纳米纤维可储氢3克。目前这种材料的研究还处在实验室阶段，尚有不足之处。石墨纳米纤维及其吸氢过程当前82页，总共108页。3)碳凝胶(CarbonAerogels)碳凝胶是一种类似于泡沫塑料的物质。这种材料的特点是：具有超细孔，大表面积，并且有一个固态的基体。通常它是由间苯二酚和甲醛溶液经过缩聚作用后，在1050℃的高温和惰性气氛中进行超临界分离和热解而得到的。这种材料具有纳米晶体结构，其微孔尺寸小于2nm。最近试验结果表明,在8.3MPa的高压下,其储氢量可达3.7wt.%。作为载体的碳凝胶当前83页，总共108页。4）玻璃微球

这种材料的尺寸在25~500μm之间,球壁厚度仅1μm,在200～400℃范围内，材料的穿透性增大，使得氢气可在一定压力的作用下浸入到玻璃体中。当温度降至室温附近时，玻璃体的穿透性消失，随后随温度的升高便可释放出氢气。研究发现，这种材料在62MPa氢压条件下，储氢可达10wt.%，经检测95%的微球中都含有氢，而且在370℃时，15分钟内可完成整个吸氢或放氢过程。玻璃微球的SEM形貌当前84页，总共108页。(六)贮氢材料的应用

氢与金属间化合物在生成金属氢化物和释放氢的过程中，可以产生以下功能：(1)有热的吸收和释放现象，氢可作为一种化学能加以利用；(2)热的释放与吸收也可作为一种热力功能加以利用；当前85页，总共108页。(3)在一密封容器中，金属氢化物所释放出氢的压力与温度有一定关系，利用这种压力可做机械功；(4)金属氢化物在吸收氢过程中还伴随着电化学性能的变化，可直接产生电能，这就是电化学功能。当前86页，总共108页。充分利用这化学、机械、热、电四大功能，可以开发新产品；同时，吸、放氢多次后，金属氢化物会自粉碎成细粉，表面性能非常活泼，用作催化剂很有潜力，这种表面效应功能也很有开发前途。当前87页，总共108页。

金属氢化物贮氢材料的应用领域很多，而且还在不断发展之中，下面介绍贮氢材料应用的几个主要方面。当前88页，总共108页。1、高容量贮氢器用高贮氢量的贮氢材料以及高强铝合金贮罐，从工艺上降低成本，减轻重量，这种高容量贮氢器可在氢能汽车、氢电动车、氢回收、氢净化、氢运输等领域得到广泛的应用。当前89页，总共108页。利用贮氢材料吸收氢的特性，可从氯碱、合成氨的工业废气中回收氢；可方便而廉价地获取超高纯H2(99.9999％)，实现氢的净化；还可将难与氢分离的气体，如氦经济地分离出来，无须惯用的深冷方法而实现氢的分离；当前90页，总共108页。可用于吸收核反应堆的重水慢化器及冷却器中产生的氢、氖、氚等氢同位素，以避免核反应器材料的氢脆和防止环境污染，对吸收的氢同位索还可以利用贮氢材料的氢化物与氘化物平衡压力的差异、经济有效地实现氢氘分离，即氢的同位素分离。当前91页，总共108页。2、静态压缩机利用氢化物的平衡压力随温度指数变化的规律，室温下吸氢，然后提高温度以使氢压大幅度提高，同时使氢净化。这样不用机械压缩即可制高压氢，所用设备简单，无运转部件，无噪声，用于此目的贮氢合金称为静态压缩机。当前92页，总共108页。3、热泵利用贮氢材料的热效应和平台压力的温度效应，只需用低品位热源如工业废热、太阳能作能源，即可进行供热、发电、空调和制冷。过去一股为2段式热泵，1次升温，现发展成3段式热泵，2次升温，可使65~90℃废热水升温至130℃或更高，可直接用于产生蒸气再发电，并可充分利用环境热，制成新型空调器和冰箱，可节能80％。当前93页，总共108页。金属氢化物热泵的推广与金属氢化物成本和热交换器的结构密切相关。日本最近提出的一种机械压缩机与金属氮化物联动式热泵，它只用一种廉价的金属氢化物(如TiFe等)与一台无油压缩机驱动氢的吸入，从而简化设计结构，降低成本。当前94页，总共108页。4、用作催化剂贮氢材料可用作加氢和脱氢反应的催化剂，如LaNi5、TiFe用作常温常压合成氨催化剂、电解水或燃料电池上的催化剂。它可降低电解水时的能耗，提高燃料电池的效率。当前95页，总共108页。放电充电5、发展镍氢电池出于镉有毒，镍镉高容量可再充式电池因废电池处理复杂已处于被淘汰的阶段。因此金属氢化物镍氢电池发展迅速，基本化学过程是：当前96页，总共108页。如以贮氢材料作电极材料，则放电时从贮氢材科中放出氢，充电时则反之，对于TiCrVNi、TiNi等最高贮氢量可达260cm3/g的材料、放电量可比镍镉电池高1.8倍，可充放电1000次以上。这类电池在宇航、手提式电子计算机、移动电话、电动汽车等行业中已得到广泛应用。当前97页，总共108页。

6、温度传感器、控制器贮氢材料的氢平衡压随温度升高而升高的效应可以用作温度计。从贮氢材料的p-T曲线找到p与T的对应关系，将小型贮氢器上的压力表盘改为温度