低温球磨制备镁基储氢材料及其性能研究

摘要：镁基储氢材料在目前属于最有潜力的金属氢化物储氢材料，具有价格低廉、资源丰富等众多的优点。另外，低温球磨技术制备的镁基储氢材料，不但制备的时间短，性能也很好，低温球磨技术可以用于研制具有催化特性的镁基储氢材料。

关键词：低温球磨；镁基储氢；低温球磨；材料性能

中图分类号：TG139 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）20-0065-02

镁基储氢复合材料虽然是近几年才兴起的，却因为有着价格低、质量高的优点而被广泛的应用。很多的研究者在这一领域做了初步的研究，还获得了一些具有实际应用价值的复合材料，但是大量的工作还有待深入研究。

1 低温球磨制备镁基储氢材料

在很多的储氢材料中，金属镁资源丰富、密度很小，而且储氢的密度大，目前是最有潜力的储氢材料之一。但是镁的颗粒表面容易形成细密的氧化膜，并且难以活化，而且吸收氢和放氢的速度很慢，为了改善这一缺点，必须使镁颗粒细小化。球磨法是最基本的方法之一。

低温球磨也被称为是低温机械合金化，它是一种高能球磨技术，在低温的环境下进行球磨，可以增加材料的脆性，提高材料的性能。因为镁的硬度很小、塑性大、熔点低，因此在低温球磨制备的过程当中，物料很容易在球磨的底部和球磨发生冲突。所以，我们只能够采用球磨强度较低的工具，将镁细小化的过程需要十个小时左右，催化剂也必须均匀地分布在镁的表面上，这样才能更好地吸氢和放氢。

2 镁基储氢材料

2.1 镁基储氢材料的概况

氢气可以直接与镁反应，它的理论含氢量可以达到8%左右，性能也相对较稳定。因为纯镁吸氢和放氢的速率都很慢，而且放氢的温度很高，所以人们可以利用合金化或者制成复合材料的办法来改善镁的吸放氢性能。镁基储氢材料又可以被分为两种：一种是镁基复合材料，一种是镁基合金体系。

镁基储氢材料最早是出现在美国，美国人首先以镁和镍混合熔炼而形成合金，这种合金能够在高温下和氢反应，生成Mg2NiH4，其吸氢量为3.6%左右。从研究镁基储氢材料开始至今，镁基储氢材料的种类大约已经有接近千余种。因为合金元素的组成有所不同，而且制备的方法也不同，所以导致了各种镁基储氢材料的吸氢、储氢容量有一些差别。

2.2 结构和外貌

经过低温球磨制备之后，镁基储氢材料中还存在一定的Mg相、Ni相、La相和一些合金相等，但低温球磨技术的合金化效果并不太好。经过低温球磨之后，粉末的颗粒得到了一定的细化，颗粒的直径大约缩小了一半，因此从中可以看出其细化的效果很好。

3 低温球磨制备镁基储氢材料的性能

3.1 动力学性能

动力学性能能够对镁基储氢材料的运用造成很大的影响，镁基储氢材料在4.0兆帕氢压和不同的温度下，经过低温球磨制备之后，镁基储氢材料的动力学性能得到了一定的提高。温度不断的升高，镁基储氢材料的吸收速度也在加快，吸收的氢量也在随之而增加。在4.0兆帕氢压和500～700K的温度之下，在五分钟左右就可以吸收氢达到大约90%左右。常温球磨所制备的镁基储氢材料虽然也能够达到同样的动力学性能，但是球磨的时间却很长，比之前的时间要多到7～8倍左右。另外，常温球磨制备的材料则需要十分钟才能够达到其饱和值的70%左右，因此，低温球磨技术制备的材料具有比较高的动力学性能。

其动力学性能被提高的主要因素是材料中有很多相似的结构，在球磨的过程中形成了复合产物，并且还能对一些材料的吸氢起到催化的作用。进行球磨的整个过程中，低温状态提高球磨的效率，而且强化其性能，通过一段较短的时间，就能够细化晶粒，产生相界面，制备出符合要求的镁基储氢材料。

3.2 热力学性能

球磨大约十小时以后，镁基储氢材料的储氢量在300℃的时候为3%左右，随着温度不断的升高，其吸氢的量也开始慢慢提高，而且放氢也放得特别多。与此同时，利用低温球磨制备技术制备的镁基储氢材料不需要经过另外的处理，就能够直接进入测试，并且其材料的性能还非常的好。与其他的制备方式相比较，低温球磨技术只需要很短的时间，就能够制备出性能优良的镁基储氢材料。

从上面可以看出，用低温磨球技术制备的镁基储氢材料，其性能良好，还可以用于研究制备一些具有催化性质的镁基储氢材料。

3.3 放氢动力学

实际的放氢动力学曲线会随着颗粒尺寸的变化趋势与理论计算的变化趋势而一致，也就是说，颗粒尺寸越小，放氢所用的时间就越短。比如有两个实验：一个是颗粒尺寸为2.0左右，在接近600s的时间内完成了放氢；另一个是颗粒尺寸为1.0左右的镁基储氢材料，在大约500s的时间内完成了放氢。造成实际的放氢动力学性能和理论计算结果产生差异的原因，除了尺寸颗粒不一致外，还有几个原因：第一是因为氧化因素和总的放氢速度常数是一个变量，第二则是因为放氢过程与吸氢过程的不同点――放氢需要吸收热量。所以，稳定的传热是保证其放氢动力学的一个很重要的原因。

3.4 镁基储氢材料的催化

当放氢的温度达到了一定的程度，在其中加入铝，会使得镁基储氢材料的性能得到进一步的提高，因为铝的延展性很好，很容易就固熔到镁颗粒的表面。同时，在吸氢的时候，铝能够分解氢气分子，在放氢的时候，则有对氢原子进行催化的作用。

4 镁基材料的应用前景

镁基复合材料因为自身的密度较小，而且比镁合金具有更高的比强度、比刚度、耐磨性和耐高温性，受到航空、航天、汽车、工业、机械、电子等领域的重视和广泛应用。自20世纪80年代至今，镁基复合材料已经成为了金属基复合材料的研究热点之一。在镁基复合材料当中，颗粒增强镁基复合材料与连续纤维增强、非连续性纤维增强镁基复合材料相比较，具有很多的优点，比如制备工艺简单、价格低廉、较易成型、易加工等。除此之外，也是目前最有可能显示低成本、规模化商业生产的镁基复合材料。

5 总结与体会

储氢材料是一种极受欢迎的功能材料，并且在能源领域中具有不可替代的重要作用，它的前景十分的广泛。近几年来，世界各国都在投入人力、物力及技术资源，对其进行研究和分析。用低温球磨技术来进行制备，不但提高了它的性能，还增加了吸氢的量，低温球磨技术制备的储氢材料不但活化性能高，动力学性能也很高，也因此，低温球磨制备镁基储氢材料得到了广泛的运用。

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