金属氢范文

金属氢范文第1篇

关键词：金属及合金材料；氧；氮；氢；联测

中图分类号：F406.5 文献标识码： A

金属及合金材料中的氧、氮、氢成分对材料的物理和机械性能有很大影响，在材料研究、生产和使用过程中，需要对这些元素进行定量分析，人们已采用各种方法对这些气体元素的测定进行了研究。金属中气体的分析始于上世纪三十年代，最初用氢还原法测定钢铁中氧，真空加热法测定钢中氢。四十年代以后随着真空技术的发展，用真空熔融法测定氧的准确度大为提高，是气体分析的标准方法，但由于设备和操作繁杂，分析时间长，真空检漏费事等原因，已经逐步被惰性气氛下的熔融还原法所代替。熔融还原法设备简单，操作方便，分析速度快，其准确度和灵敏度取决于所用装置的结构和测定仪器的精度、操作条件、稳定性、空白值等。

1.红外-热导法

目前对金属及合金材料中气体元素分析方法的研究，普遍采用脉冲电极熔融法。在石墨坩埚里处理试样，将O氧化为CO进而转化成CO2，N和H释放为N2和H2。混合气由载气氦载出，通过红外吸收法测定CO2进而换算出氧的含量，用热导检测法测定氮的含量，用氩气做载气热导法测定氢的含量。但当使用氦气做载气时，由于氢气的热导系数与氦气的热导系数比较接近，此时不能用热导法测定氢的含量；当使用氩气做载气时，由于氮气的热导系数与氩气的热导系数也比较接近，此时不能用热导法测定氮的含量。因而在单次测量中仅能实现氧、氮或氧、氢联测。

近几年来许多冶金分析工作者对固态金属及合金材料中气体联测进行了研究，其中西部金属材料股份有限公司的石新层等使用LECO公司的TC-600氧氮联合测定仪，与TC-400系列的检测系统进行了对比，建立了钛及钛合金中氧、氮的脉冲惰气熔融分析方法。昆明贵金属研究所方卫等使用德国ELTRA公司ON-900型氧氮分析仪同时测定高温钛合金粉样中的氧、氮含量，并将该法同样推广到其它粉体(如铌粉)中氧、氮的测定。北京有色金属研究总院周海收、王剑秋等在金属及合金中氧、氮的测定方面做了非常多的工作，他们使用LECO公司TC-436氧/氮分析仪，分别对铜铬、铜钨、铜钼合金，混合稀土储氢合金，以及稀土金属钕和镝中杂质氧和氮进行了测定，并将自行设计的座状坩埚应用于钢铁，钛及钛合金中氧、氮的同时分析。

氧、氮或氧、氢联测，较单独分析提高了效率，在灵敏度方面也略有提高，但依然无法实现3种元素的真正联测。ONH-2000氧氮氢分析仪虽然实现了单机测量3种元素，但还需要2次测定，同时存在仪器构造复杂，分析过程繁琐，分析时间较长等不足，测定结果的准确性与稳定性容易受到中间处理阶段的影响。因此，研究和应用氧、氮、氢同时分析即联测技术非常必要。

越来越多的冶金分析工作者都关注金属及合金中的气体元素氧、氮、氢联测的新方法。另一原理的氧氮氢联测仪器是美国LECO公司的TCH-600氧氮氢分析仪，该仪器采用高纯氦为载气，石墨坩埚里的试样在电极炉中被高温加热，于惰性气氛(氦)中熔融，试样中的氢以H2形式析出，氧和坩埚中的碳形成CO和少量的CO2，氮以N2形式释放出来。从炉中释放出的混合气体被载气(氦气)携带，通过加热的稀土氧化铜，使CO氧化成CO2，H2被氧化为H2O，由H2O红外检测池检测氢含量，1个CO红外检测池和2个CO2红外检测池共同检测氧含量，随后再经碱石棉吸收CO2和无水过氯酸镁吸收H2O，最终样气通过质量流量动态补偿后，被氦气携带流经热导池检测氮量。红外吸收池和热导池所得电信号经微机的数学运算直接输出氧、氮、氢的含量。该仪器采用脉冲加热炉，通过改变电流和功率来控制加热温度，有斜率升温、温度保持、步进升温3种炉温控制方式。炉子最大功率为6.5kW，最高温度3000℃，气路全部采用不锈钢管道，并实现了整个气路系统检漏的自动化。中科院金属研究所的朱跃进等分别使用TC-436氧氮测定仪、RH-404氢测定仪，以及TCH-600氧氮氢测定仪对纯金属和高温合金等金属材料中微量的氧、氮、氢进行了测定，在测定过程中分别采用单测O、同时测N、O和单测H、联测N、O、H的模式，对比了仪器分析参数和样品制备方式对分析结果的影响，说明新型的氧氮氢测定仪可以达到现有的分析要求。

2.气相色谱法

最早应用于固态金属及合金材料中氧、氮、氢同时测定的方法是惰气熔融-色谱法。其原理是将试样置于惰性气体流的光谱纯石墨坩埚内，施加以低电压、大电流，使坩埚连同试样一起在数秒或数十秒之内达到近3000℃高温，样品中的氢、氧、氮则分别以H2、CO、N2的形式释放出来，随着载气进入色谱柱而被分离。由于其热导率的差异，当它们分别流经热导检测器时，相继改变桥臂阻值，导致输出讯号发生变化，经衰减后联接到电子电位差计上，分别记录其峰，依据峰高分别计算各个组分的含量。由于经过柱分离，该法的分析时间较长。

材料研究所的宋忠训采用脉冲加热色谱法测定铝钼合金中氢。目前该类仪器应用在钢铁及焊缝材料中氧、氮、氢的检测比较多，例如攀枝花钢铁研究院的罗永杰采用SQM-1型脉冲色谱仪，填充国产碳多孔小球TDX-02作为新型固定相，实现了钢铁中氧、氮、氢的联合测定。上海电站辅机厂王建林等使用SQM-1型脉冲加热气相色谱仪建立了测定钢铁焊缝中气体氢、氮、氧分析方法，同时对测定过程中因外界条件产生的空白值进行了大量的研究，并提出降低空白值的有效措施。

目前比较具有代表性的商品化仪器为大连宇科仪器有限公司SQM-1型和SQM-2L型氢氮氧联合测定仪，该仪器可实现一次进样完成氧、氮、氢的分离，适用于冶炼及金属材料部门粉状及块状样品中氢、氧、氮的含量测定，在5～10 min左右测出氧、氮、氢的含量。仪器的脉冲炉温度最高可达3 000℃以上，并在最高温度下可连续加热60 s，以廉价的氩气做为载气。脉冲加热-色谱法需要选择色谱柱(种类、长度、温度等)，可连续投1～15个样品，柱箱温度为20～150℃(±0.2℃)，流量约几十毫升，但测定的精密度、灵敏度较差。

3.质谱法

用质谱法同时测定氧、氮、氢已经有成功的尝试，但是测定对象不是固体材料而是高温熔融金属。Kreuser等曾应用一种由Minco研发的测定熔融金属中的氧、氮和氢含量的新方法，采用一种特制的探头和四极质谱，在钢水中，仅在探头的一次浸入中实现氧、氮、氢的快速定量分析，对于改进金属冶炼质量和提高产量提供一个崭新技术方向。

基于同样的原理，用传统的脉冲熔融法提取金属和合金材料中的气体，引入质谱分析，理论上能实现氧、氮、氢的真正联测，且在分析灵敏度和精度方面有望得到进一步改善。由于质谱是通用性检测器，在3种元素同时分析时相互干扰极少，使得仪器气路结构有可能大大简化。

光谱法

光谱法测定氧和氮的分析范围一般为0.000 5%～0.040%(质量分数),检出限为0.000 3%(质量分数),误差小于国家标准(GB 223.37289)的允许误差,分析时间为2～3 min(包括样品制备和样品两次激发分析)。金属中气体光谱分析法应用于炼钢生产中的过程及成品分析,特别是炉外精炼和连铸,实现了氮与常规合金元素的同步分析,降低了分析成本,缩短了分析周期。

5结语

随着各种新材料发展，对金属和合金中氧、氮和氢的分析精度和效率提出了越来越高的要求。氧氮氢快速、同时分析技术的开发和应用得到关注。现有联测仪器为避免不同成分间的相互干扰采取了很多转化、处理技术，使得仪器结构复杂，分析时间长，以质谱为检测器的氧、氮、氢联测技术有望成为该技术领域的发展方向。

参考文献：

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金属氢范文第2篇

何谓金属氢

众所周知，氢是宇宙中最丰富的元素，它在自然界中通常是以气态的氢气存在，在19世纪末曾被认为是无法液化的“永久气体”。直至1898年，詹姆斯・杜瓦制作了拥有巧妙热力学设计的“杜瓦瓶”，首次将氢气液化，第二年又首次制取了氢气的固态。

然而，这些早在一百多年前就制备出来的液态和固态氢并不具备金属的良好导电性，都不能称之为“金属氢”。“金属氢”是具有良好导电性甚至是超导性的液态或固态氢。

哈佛大学团队发现的金属氢，是由两位科学家将一块微小的固态氢样品置于相当于488万个大气压的压力下制造出来的。这一压力远远超过了我们所生活的地球中心的压力值，在这一极端的压力下，分子氢的化学键将被打开，最终形成由氢原子为最小单位组成的晶体氢，类似金属原子组成的金属晶体，原子所带的电子可以在原子之间自由运动，具有了金属的导电特性，这时的氢晶体电阻通常小于100欧姆，远远小于原有的几十到几百兆欧姆。

金属氢的应用前景

为什么人们如此费尽心血地研制“金属氢”呢？这是因为金属氢具有一些非常特殊的性质。“金属氢”是一种亚稳态物质，可以用它来做成约束等离子体的“磁笼”，把炽热的电离气体“盛装”起来，这样受控热核聚变反应就可以很方便地实现，人类也可以建造出一座座“模仿太阳的工厂”，然后将原子核能转变成了电能，这种电能既廉价又干净，人类的能源问题最终将得到有效解决。

此外，“金属氢”具有超导性，用金属氢输电，其输电效率在99%以上，可以大幅降低输电损耗，使全世界的发电量增加四分之一以上。如果用“金属氢”制造发电机，其重量不到普通发电机重量的10%，而输出功率可以提高几十倍乃至上百倍。

除此之外，“金属氢”在航空航天领域还具有重大价值。众所周知，火箭一般采用液氢作为燃料，因此必须把火箭做成一个很大的类似热水瓶的容器，以便确保低温。由于相同质量的“金属氢”体积只是液态氢的1/7，如果使用了“金属氢”，火箭就可以制造得非常小巧。此外，由它组成的燃料电池，可以较容易地应用于汽车，那时，城市就不再像现在这样喧哗，尾气污染也将得到有效解决。

虽然，“金属氢”非常有用，但我们也看到了它在是极其困难的条件下获得的。为了验证它的存在，人类花费了一百多年的时间去营造了一个极端高压的环境，因此，要真正地生产和应用还需要历经漫漫长路。据了解，大规模实现接近500万个大气压的极端高压条件是制造“金属氢”的前提，这在实验室都需要耗尽洪荒之力才能实现，大规模生产谈何容易。

金属氢范文第3篇

【摘要】氢的贮存与输送是氢能利用中的重要环节。石油化工、合成氨、冶金、电子、电力、医药、食品、玻璃生产、 火箭燃料和科学实验等以氢作为原料气、还原气、冷却气或燃料。由于氢的易燃性、易扩散性和重量轻，因此 其贮存与输送中的安全、高效和无泄漏损失是人们在实际应用中优先考虑的问题。原则上，氢可以以气体、液 体、固体（氢化物）或化合物（如氨、甲醇等）的形式贮存与运输。

引言

氢的贮存与输送是氢能利用中的重要环节。石油化工、合成氨、冶金、电子、电力、医药、食品、玻璃生产、 火箭燃料和科学实验等以氢作为原料气、还原气、冷却气或燃料。由于氢的易燃性、易扩散性和重量轻，因此 其贮存与输送中的安全、高效和无泄漏损失是人们在实际应用中优先考虑的问题。原则上，氢可以以气体、液 体、固体（氢化物）或化合物（如氨、甲醇等）的形式贮存与运输。工业实际应用中大致有五·种贮氢方法，即： （1）常压贮存，如湿式气柜、地下储仓；（D高压容器，如钢制压力容器和钢瓶；（3）液氢贮存（真空绝热贮槽和 液化机组）；（4）金属氢化物方式（可逆和不可逆氢化物）；（5）吸附贮存，如低温吸附和高压吸附。除管道输送 外1高压容器和液氢槽车也是目前工业上常规应用的氢气输送方法。表：列出了一些氢贮存介质的贮氢能力 和贮氢密度比较。显然，液氢具有较高的单位体积贮氢能力，但是装料和绝热不完善造成的蒸发损失可达容 器体积的4．5％，所以比较适用于快装快用的场合。高压容器贮氢，无论单位体积贮氢能力或能量密度均为 最低，当然还有安全性差的问题。金属氢化物贮存和输送氢最大优点是其特有的安全佐和高的体积贮氢密 度。利用金属氢化物贮运氢气涉及到贮氢材料、氢化物工程技术以及贮氢器的结构设计等多方面问题。本文 在扼要回顾有关研究与发展状况的同时，将着重介绍该领域近年来所取得的新的进展。

1 金属氢化物贮氢技术原理

称得上“贮氢合金”的材料应具有像海绵吸收水那样能可逆地吸放大量氢气的特性。原则上说，这种合金 大都属金属氢化合物，其特征是由一种吸氢元素或与氢有很强亲和力的元素（A）和另一种吸氢量小或根本 不吸氢的元素（B）共同组成。贮氢合金与氢接触首先形成含氢固溶体（MHx)，其溶解度[H]M与固溶体平衡 氢压PH2的平方根成正比，即

（1） 其后，在一定的温度和压力条件下，固溶相MHx继续与氢反应生成金属氢化物，这一反应可写成：

(2) 根据Gibbs相律，如果温度一定，上式反应将在一定压力下进行，该压力即为反应平衡压力。式（2）反应是： 可逆反应，正向反应吸氢，为放热反应；逆向反应解吸，为吸热反应。贮氢合金的吸放氢反应与碱金属、碱土金 属或稀土金属所进行的氢化反应的主要差别即在于其可逆性。金属。氢系的反应相平衡由压力组成的等温线 （PC一T）表示。尸（一T曲线上的平台（相变区）压力即为平衡压力。该段氢浓度（H／M）代表了合金在T时的 有效贮氢容量。提高反应温度，平衡压力升高而有效氢容量减少。平衡压力与温度的关系符合Va丫、．Hoff方 程：

（3）

式中，ΔH°、ΔS°分别为标准烩变量和标准嫡变量，R为气体常数。平衡压力基本上取决于乙H。值，后者与合金本身的晶体结构尤其是间隙尺寸和电子结构有关。由式（3）可见，平衡压力与温度呈指数关系（in尸H：①1／T），这就是说当合金确定后，让其在低温下吸氢，而在高温下解吸，将可获得增压的氢气。

氢分子又是如何进入和以什么形态贮存于合金中呢？已经证实，基于热力学平衡原因或者说氧气在合金表面化学吸附导致的表面分凝，贮氢合金的表面结构不同于内部。以LaNi5为例，观察到表面层有La（OH）。和La203的存在而次表面则有顺磁性的Ni颗粒沉淀。正是由于这些活性Ni的存在，氢分子得以在其上分解为氢原子。与LaNi5类似，组成贮氢合金日侧的元素一般都起着催化氢分解的作用。在表面上分解的氢原子是通过界面或疏松的氧化膜扩散进入合金内部并先形成固溶体0相。以氖代气进行的0相结构中子衍射分析认为，氖位于八面体间隙3f位置上，固溶过程合金除晶格膨胀外，结构保持不变。相变后形成的氢化物其氢原子是间隙在八面体或四面体间隙位置上，这也由中子衍射实验所证实，但是对具体占据的晶体学位置和p相晶体的对称性上则观点不一。氢以原子态存在于合金中，正是金属氢化物贮氢技术具有高贮氢体积密度和特有安全性原因所在。

2 贮氢合金的研究与发展

最早问世的贮氢合金是Mg2Cu、Mg2Ni、LaNi5和TiFe动口上后来开发的zrMn2，已发展成为今天的所谓稀土系（AB5型）、钛系（AB型及AB2型）、镁系（A2B型）以及锆系（AB2型）四大系列材料。目前，四大类材料中合金成分超过干种。但是，符合工业要求并已实际应用的充其量只有数十种。原则上说，以氢的贮存、输送及其利用为主要目的的金属氢化物技术对贮氢合金性能有如下一些要求： （1）高的贮氢容量； （2）合适的平衡压力，以尽可能在室温下吸放氢操作；（3）易于活化；（4）吸放氢速度快；（5）良好的抗气体杂质中毒特性和长期循环稳定性； （6）原材料资源丰富，价格低廉。能基本满足上述条件的贮氢材料主要是稀土系和钛系合金。纯镁和镁基多元合金贮氢量大（纯镁约7·6wt％，Mg2Ni约3.6wt％）、重量轻、资源丰富，然而因其过低的平衡压力和不良的吸放氢速度，只能在高于300°C的温度下操作，虽有诱人应用前景，但有待改进与发展。锗系以zrMn2为代表，其贮氢量为1.7wt％，虽高于稀上系，但要达到室温应用的分解压力（一般）0.1MPa），操作温度得高于210°C，也很难应mrI3。

2．1稀上系贮氢合全（ABs）

2．1.1 LaNi5系合金

LaNi5是稀土系贮氢合金典型代表，由荷兰菲利浦实验室首先研制。LaNi5的最大优点是活化容易，平衡压力适中、平坦，吸放氢平衡压力差小以及良好的动力学和抗杂质气体中毒特性。 LaNi5吸氢形成LaNi5H6.5，贮氢量约1.4wt％，25°C的分解压力（放氢平衡压力）约0.2MPa，分解热-30.1kJ／mo1H2，非常适合于环境温度下操作。LaNi5的最大缺点是成本较高，吸氢后体积膨

胀大（约23．5％）。为了满足各种氢化物工程技术对材料提出要求，在LaNi5的基础上通过合金元素对La和／或Ni的部分替展T元或更多组元的贮氢合金，如LaNi5-xMx（M：A1、Mn、cr、Fe、co、Cu、Ag、pd、pt，x=0.1-2.5）系和La1-xRexNi5（Re：Ce、Pr、Nd、Sm、Y、Gd、Th、Zr等，x=0.25-1.0）系。

2．1.2 MmNi5系合金。

Mm是指富含Ce（≥40wt％）的混合稀土金属，其价格比纯稀土低得多，以其替代La可显著降低成本。

MmNi5可在室温和6.0MPa氢压下活化，生成MmNi5H6.0，贮氢量约1.3wt％。该合金的缺点是活化性能远比LaNi5差和室温吸氢平衡压力太高（～3.0MPa）。多元合金化可有效克服上述缺点，其中以Mn和Al部分取代Ni效果最佳。 Mn与Al是最强的降低吸氢平衡压力元素，其中Mn的置换可以较好保持原合金的贮氢容量，而Al元素则显著缩小吸放氢滞后压力差和改变乙H值，一些典型的稀土系合金及其主要贮氢性能列于表2。

2.1.3 MINi5系合金

MINi5合金首先由浙江大学开发，它是一种利用我国丰富稀土资源的新型贮氢合金。Ml是提取Ce后的 富含La（≥40wt％）与Nd的混合稀土金属。以Ml取代La组成的MINi5不仅保持了LaNi5所具有的许多优 良特性，而且在贮氢容量和动力学性能方面优于LaNi5。由于Ml价格仅为纯La的约1/3，因此更具实用性。 MINi5可在室温下一次活化，形成MINi5H6.7氢化物，20°C分解压为0.38MPa，滞后小于0.1MPa，从性能和 价格考虑，可作为金属氢化物贮运氢的首选材料。

为满足不同应用场合需要，进一步发展了MlNi5-xMx系列（M：Mn、A1、Cr、Cu、Fe，≤1.0)。优选的一些 合金氢化物性能列于表2。其中MINi4.5Mn0.5和MlNi4.75A10.25非常适合于氢气的大规模集装箱输送。作者近 年来在MlNi5基础上又发展了一种Ml1-x、CaxNi5系三元合金。Ca也是一种吸氢元素，由于其重量轻、价格便 宜、资源丰富，以其部分取代Ml目的在于进一步提高贮氢容量和降低成本。研究表明，当x=0.1-0.9范 围，所有合金组成的贮氢量均达到1.6wt％，而20℃的分解压为0.1-1.0MPa，处于工业应用的最佳范围。 该系列合金已成功地选用于氢能汽车氢燃料箱和便携式燃料电池氢燃料箱。

2．2钛系合全（AB和AB2）

2．2．1 TiFe系合金（AB型）

TiFe是AB型贮氢合金的典型代表，由美国布鲁克海文国家实验室首先发明。TiFe与氢的反应在P-C- T上出现二个平台。低平台对应于TiFeHL1.04，高平台对应于TiFeH1.95，反应ΔH°值分别为-28.0kJ／moIH2 和-31.4kJ／moIH2。TiFe的最大吸氢容量可达1.8wt％。但是，当成分不匀或偏离化学计量或被氧化，则贮 氢容量将明显降低。此外，TiFe合金还存在有活化困难（需≥300°C下排气）和抗杂质气体中毒能力差的缺 点）为改善TiFe的贮氢特性，尤其是活化性能，开展了有关合金化和表面改性处理研究。在TiFe1-xMx主系研 究中，以替代元素Mn组成的三元合金性能最佳。典型的合金是TiFe0.85Mn0.15H1.6。一些典型AB和AB2合 金的主要性能见表3。

作者另辟溪径，研究了Ti过量（非正份）和同时添加少量混合稀土元素对TiFe活化性能等的影响。研究 系列包括Ti1+xFe+ywt％Mm（x=0，0.1，0.2，0.3，0.4；y=0，1.5，3.0，4.5，6.0）。筛选出的Ti1.2FeMm0.04 合金可在室温下活化，首次吸氢量达到223ml/g（1.9wt％），有效贮氢量为187m1／g（1.65wt％），优于 TiFe1-xMnx系。 2．2．2 TiMn系合金（AB2）

从综合性能考虑，作为氢气贮存与输送为主要目的的应用中乃以Ti-Mn组成的合金更具实用性。 TiMn2是Laves相金属化合物，日本松下公司在优化Ti-Mn成份时发现，当Mn／Ti=1.5时室温贮氢量达 到最大，这就是TiMn1.5H2.4（性能参见表3）。。对经1100℃退火处理的典型TiMnL6合金在20C吸氢量为 228ml／g（1.8wt％），但放氢率仅82％，实际贮氢容量为187m1／g（1.5wt％）。

继TiMnL1.5合金研究之后，发展了以TiMn2为基的各种Ti-Mn系多元贮氢合金。其中，以松下公司Ti0.9 Zr0.1Mn1.4V0.2Cr0.4合金性能最佳，该合金不需高温退火而能获得斜率小的平台，而且放氢率也高于其它AB2 合金（参见表3）。北京大学则研究了TiMn1.5-xCrx系并优化出TiMn1.25Cr0.25合金，该合金经1100°C、20h的 均匀化处理后贮氢量从196m1／g提高到230m1／g。北京有色金属研究总院也对Ti-Mn系多元合金进行了系 统研究并筛选出Ti0.77Z0.23Mn0.8Cr1.0Cu0.2合金作为25K液氢温度和77K液氮温度下制冷的氢压缩机用材 料。该合金100℃的放氢量为185m1／g。随后，他们又对Ti1-xZrx（MnCrVFe）2-y（0.2≤x＜0.24，o＜y≤0.1） 合金系中的Ti／Zr比及Mn／Cr比进行优化，把合金的贮氢容量提高到201m1／g。此外，德国奔驰公司和日本 松下公司还开发出Ti0.9Zr0.1CrMn和Ti0.8Zr0.2Mn1.2等AB2型合金，贮氢容量1.8-2.0wt％，大都应用 于氢汽车金属氢化物贮氢箱。我国钢铁研究总院专利合金Ti0.8Zr0.2Mn1.6Cr0.2V0.1Fe0.1，也是TiMn2型多元 贮氢合金，贮氢量2.0wt％，室温分解压力0.5-1.3MPa。

作者近期为开发贮氢量大、重量轻的燃料电池用氢源合金，研究了（Ti-Zr）（Mn-Cr-V）2、（Ti-Zr）（Mn- Cr-V-Fe）2和（Ti-Zr）（Mn-Cr-V-Ni）2系列贮氢合金。优化出的新合金，其室温吸氢量均大子230m1／g，放氢 量大于210ml/g。该系合金由于A侧Zr元素过量（非正份），显著改善了合金的活化性能，而以V-Fe代V则 使成本进一步降低。

3 金属氢化物工程应用关键技术研究

贮氢材料在吸放氢循环过程中发生粉化，在气流驱动下粉未会逐渐堆积形成紧实区，既增加了氢流动阻 力也会导致容器变形甚至破坏；而氢化物粉未导热性很差，使反应器内部热量传输缓慢，降低材料的吸放氢 速率，所以改善和提高氢化物粉体床的传热、传质性能是氢化物工程技术研究的重要一环。改善传热传质的 研究工作主要集中在制备复合贮氢材料及容器（热交换器）优化设计方面，已经试验和发展了各种技术。 3．1中毒氢化物与不吸氢金属粉压制的贮氢复合材料 早期，研究了贮氢合金粉直接与不吸氢的A1、Cu、Ni、Pd或焊料等粉未混装或压制成块状的复合材料， 但试验失败了。究其原因是压块没有保留足够的孔隙，为合金吸氢膨胀提供空间。后来，以色列工业大学研 究了颇具创造性的“中毒法”，即先让合金粉吸氢膨胀而后再压制，其过程的核心是合金氢化后导入SO2或 CO使氢化物中毒，以保留吸氢体积膨胀状态，而后再行压块。一次中毒制得的压片循环寿命提高到100次 （不碎裂），但因中毒不够，氢化物不饱和，未能达到更佳效果。作者发展了“二次中

毒法”，先以H2-SO2混合气体接触毒害而后再以纯SO2继续毒害，结果压片经1000次循环不碎裂，但是贮氢容量损失了约15％。

3.2真空烧结多孔贮氢复合材料

上述中毒法虽解决了膨胀状态下的压块方法，但过程繁琐。浙江大学提出和试验了添加造孔剂以造就孔隙的新方法。由合金粉、导热粉和造孔剂按一定配比混合、压制成块，再经烘烤和烧结除去造孔剂，制成的压 块孔隙率达到30-40vol％，试验表明，压片能经受1000次循环而不产生任何裂纹，存在的不足也是贮氢量 损失问题。

3.3铀铜压块复合贮氢材料

镀铜压块最早由日本的H.Ishikawa等人提出。合金粉表面镀铜后导热率可从0.5W／mK提高到6- 8W／mK。镀铜压块要能经受长期吸放氢循环而不碎裂，制造方法中包含了一些技术诀窍。我们的研究也取 得了成功。镀铜合金粉的镀铜层并非连续和致密，而是与合金粒子有所脱离。压块后铜壳内仍存在大量孔隙，这种多孔结构既不会阻碍氢气渗透又为合金粒子提供了吸氢膨胀空间，而且还改善了导热性能。试验表明， 压块经1000次吸放氢循环无任何可见的裂纹存在。该法的不足是制造成本增加。

3．4与塑料或液体溶剂混合组成的浆料复合材料

先前试验过包括聚氨脂、氯化物、丙酮、硅橡胶、硅油、正十一烷、正辛烷等塑料或有机溶液组成的复合材 料浆料床。添加塑料一类的复合材料大都因降低传热和吸放氢速度而被否定，然而将贮氢金属置入有机溶液 中成为浆料则不存在这一问题。初期研究表明，该法不仅可以克服固态料床中贮氢合金反复吸放氢粉化造成 的诸如粉未堆积、堵塞管道、胀破容器和传热差等一系列问题，而且可以通过泵送构成流态化连续生产。浙江 大学在完成有机溶液（硅油与清洗煤油）吸放氢性能实验研究的基础上，设计并建立了一套产能为30Nm3／h 的贮氢金属浆料回收合成氨排放气中氢的中间试验系统，所用贮氢合金为MINi4.75A10.25，溶剂采用清洗煤 油，系统在常温下操作。初步试验表明，在适宜的操作条件下，氢回收率可达72％以上，产品氢纯度达到95％ 以上，而贮氢材料利用率由过去气一固反应技术装置的约0.035Nm3／hkg提高到约1.2Nm3／h kg。

3.5分隔床和直接混装技术

把氢化物床分隔成许多独立的小单元，把粉未流动限制在较小区域内”也能有效地防止氢化物容器的变 形与开裂。美国I.Sheft设计的HYCSOC容器，用铝制小盒内盛装泡沫铝与合金粉复合材料，每一小盒为一 独立单元并以中心导管连通，该法既能防止粉未流动，又确保良好传热特性，但是成本很高，经济适用性不够。从许多成功的技术中得到启示，只要复合粉体料中具备有能阻止粉未流动和改善传热性能的骨干并且又保持有足够的孔隙（膨胀空间），那么，这种复合材料必定能取得好的效果。浙江大学开发的一种以铝屑替代铝粉与合金粉混合直接装入容器的成功实验证明了这一分析是正确的。铝屑是由铝棒经振动切削制成，其外形呈三维曲面，所提供的膨胀空间及阻止粉未流动的作用显著优于铝粉。该技术由于经济、简便，已经在各种氢化物贮运装置中广泛应用。北京有色金属研究总院研究了另一种直接混装方法。它是由一种导热纤维与合金料粒混合而后分层装填（每一料层还添加导热纤维）。研究认为，该法能有效防止粉层迁移和粉未板结并提高传热性能。随后，他们对该技术又作了改进，即在反应管中心增设了发泡金属导管，效果更佳。

4 金属氢化物贮氢装置的开发

贮氢材料是一种高密度贮能材料，也是一种功能材料。目前已涉及的应用领域包括氢的贮存与输送、氢 的提纯、氢的分离与回收、氢的压缩、氢及其同位素的吸收与分离、电化学（二次电池、燃料电池）、化工催化、能量转换（蓄热、制冷、空调、取暖、热机）以及燃氢汽车等许多领域。

在上述氢化物工程技术应用中，主要是利用贮氢合金所具有的下列一些特性：选择性吸氢特性；原子态 方式贮存的高密度贮氢；吸氢放热与放氢吸热的热效应；碱液中的电化学吸放氢及电催化活性；氢同位素分 离效应以及氢平衡压力与温度的指数关系等。氢的贮存与输送是氢能利用系统中的重要环节，可逆吸放氢 气的贮氢合金一问世，人们便把工程应用目标首先集中于氢化物贮氢装置的开发。

4.1固定式贮氢装置

作为固定式贮氢器其服务场合多种多样，容量则以大中型为主。早先美国布鲁克海文国家实验室 （BNL）开发的中型固定式贮氢器，用400kg TiFe0.9Mn0.1合金，吸氢用30°C冷水，放氢用50°C温水，在5-10小时内可吸收和释放23kg氢。之后他们又研制出260m3的贮氢器，使用1700kg同类合金。日本大贩工业试 验所（GIRIO）开发的单元层叠式固定装置，使用MmNi4.5Mn0.5贮氢合金106kg，贮氢量为16Nm3，吸氢温度～15℃，放氢用75C温水，迄今，研制的最大容量装置是欧共体发起，德国HWT制造的氢容量2000Nm’的 装置。它由32个独立贮罐并联，每贮罐又由许多单管列管组成，使用TiMn2型多元合金，工作压力为5MPa。

浙江大学开发的固定式装置主要用于氢气精制和氢气化学热压缩。其中之一为连续提供高压（～ 15MPa）、高纯（6N）氢气的固定式机组，反应器内装（MmCaCu）（NiAl）5增压型贮氢合金，每台贮氢容量各为 50Nm3，通过切换达到每小时连续提供24Nm3高纯高压氢气。另一种则为单纯用于氢气贮存和精制的固定 式装置，每台贮氢容量为90Nm3，四台并联总容量为360Nm3，使用MINi4.5Mn0.5合金，总重量为2200kg，吸 氢时自来水冷却，放氢时用50℃热水，贮运压力为0.5MPa。上述两种固定式装置都采用不锈钢管列管结构， 内装复合贮氢材料。 热泵系统使用的贮氢器也是一类固定式装置。但为了提高特性系数（COP），除材料性能有特殊要求外， 对热交换器的传热速度要求很高。北京有色金属研究总院对制冷系统用的金属氢化物压缩器设计成具有内 外层双面换热的结构，使料层厚度减小到5mm，显著提高热交换效率。浙江大学研制的15000kFh金属氢化 物型空调机则采用一种齿形管壁的铜管反应器，可有效地改善传热。日本千代田化工建设股份有限公司建造 的迄今最大的金属氢化物热泵系统，使用圆筒式热交换器结构，把两种贮氢材料MmCaNiAl合金共6500kg 分别装于圆筒内的四个区域，系统总重27吨，制热量达到1256MJ儿。各国开发的贮氢装置式样、容量、用途 各不相同，限于篇幅，本文。不作一一介绍。 4.2移动式贮氢装置

作为移动式装置要兼顾贮存与输送，因此要求重量轻、贮氢量大。镁系合金较适于作输送用装置，但要能 有效吸、放氢装置需加热至300C以上温度，即使用汽车发动机排放废气供热，仍嫌温度偏低。用常温型合 金，重量贮能密度与15MPa高压钢瓶基本相同，但体积可小得多，安全性也有保障。日本岩谷产业公司和美 国MPD公司合作，首先推出一种“商用金属氢化物氢集装箱”。该集装箱由每台各70Nm3贮氢量的6台贮氢 器并联组成，置于一辆4.5吨卡车上，共输氢420Nm＼该贮氢器使用AB5型合金，设计工作压力为5MPa。

据称，该集装箱输送氢气能力比筒状高压容器一次所能输送的280m3提高50％，运输成本降低30％，安全性比高压容器有很大提高。为了充分发挥金属氢化物的多功能特性以提高商品竞争能力，浙江大学开发的集装箱可在氢源所在地 回收含氢45-99vol％的各种工业排放尾气氢并提纯至4N、5N或6N（99.9999％）级纯度，然后贮运至用氢 场所。它由4台85Nm3的贮氢容器并列放置，总输氢量为340Nm3，贮氢材料为Ml-Ni-AI AB5型合金，共计2吨。集装箱吸放氢操作均用室温自来水，贮运时压力仅0.5MPa，与15MPa高压钢瓶比较运输效率提高约30％。 燃氢车辆用的金属氢化物氢燃料箱也是一种移动式装置。美国BNL的小轿车及Billing能源公司的19座中型面包车均采用TiFe氢化物贮氢燃料箱。后者氢燃料箱使用1吨TiFe合金，有效氢容量7.7kg，以发 动机冷却水（约90℃）提供释放氢所需热量，行车距离121km（车速80km／h）。德国戴姆勒。奔驰公司则发展 一种高低温混合型的燃料箱，使用TiFe氢化物箱和重量轻的Mg-Ni系氢化物箱组合在 一起，高温箱利用发 动机废气直接加热，TiFe箱利用发动机冷却水加热，总重500kg的燃料箱贮氢量超过11kg（45L汽油），在轻量化上有了长足进展。浙江大学开发的燃用氢。汽油混合燃料城市节能、低排污小公共汽车（19座），使用的 常温氢化物箱反应器由19根Φ51×2.5mm不锈钢管密排并联，内装120kgMl0.8Ca0.2Ni5贮氢合金，贮氢量 22.4Nm3，贮氢箱总重190kg，以发动机排放废热或冷却水为释氢热源。配备这种氢燃料箱的氢油混合燃料 公共汽车，当在汽油中掺和4.7vol％氢时，行车120km的平均节油率达到43．5％，废气排放降低70％以上， 既提高了燃料利用率又减轻了对大气污染。金属氢化物氢燃料箱为燃氢汽车的发展提供了安全保障。 移动式贮氢器的另一潜在大宗用途是燃料电池氢燃料箱。金属氢化物贮氢器不需附加设备（如裂解及净 化系统），安全性高，特别适于车船方面应用。早在1988年，德国海军的燃料电池 混合推进系统在潜艇首次应用成功，燃料电池功率为100kW，氧以液氧形式贮存，氢则以TiFe合金贮存。1998年8月，西门子公司又宣布已研制成功300kW大功率潜艇用PEMFC。1996年，日本三洋电器公司申请了一种便携式燃料电池用贮氢器，氢容量仅0.36Nm3，使用2.5kgMm-YNi-Mn贮氢合金，可供250W燃 料电池配套使用。为配合燃料电池（尤其是PEMFC和AFC）的发展之需，作者在开发新型高容量氢源合金的同时，设计和研制了多种型式和不同容量的金属氢化物氢燃料箱。一种竖式筒型燃料箱采用轻质铝管容器，每根铝管内叠放盛满复合贮氢材料的铝盘，贮氢容量为3000L。有一种小型便携式氢燃料箱，其反应器采用无缝铝管，使用3.8kgM10.8Ca0.2Ni5合金，贮存氢700L，外形尺寸为20cm×llcm×18cm，可利用空气对流供热释氢。该燃 料箱在lkW PEMFC上使用，受到欢迎。

5 结束语

金属氢范文第4篇

关键词： 熔敷金属；扩散氢；方法比较

中图分类号： TG-457.11

Abstract： This paper introduced the source of hydrogen during welding， the type of diffusible hydrogen in welding metal and its harm. The mercury method、gas chromatography method、hot-extraction method and glycerol method for diffusing hydrogen measurements were presented and the advantage and shortcoming of those four methods were summarized. Also the effects of heat input、passes、cooling way of the test assembly and welding environment on diffusible hydrogen were summed up.

Key words： deposited metal； diffusible hydrogen； comparison method

0 前言

在钢焊缝中，氢大部分是以氢原子或离子的形式存在的，它们与焊缝金属形成间隙固溶体。由于氢原子和离子的半径很小，可以在焊缝金属的晶格中自由扩散，故称之为扩散氢。还有一部分氢扩散聚集到晶格缺陷、显微裂纹和非金属夹杂物边缘的空隙中，结合为氢分子，因其半径增大，不能自由扩散，故称之为残余氢。因为扩散氢能够自由扩散，并占总含氢量的比例较大，因此它对焊接接头的影响比残余氢大。

由于焊接方法不同，导致氢向金属中溶解的途径也不相同。气体保护焊时，氢是通过气相与液态金属的界面以原子或质子的形式溶入金属的；电渣焊和电渣熔炼时，氢是通过渣层溶入金属的；而焊条电弧焊和埋弧焊时，上述两种途径兼而有之。焊接过程中，氢主要来源于焊接材料中的水分、含氢物质、电弧周围空气中的水蒸气和母材坡口表面上的铁锈油污等杂质。

大部分体心立方金属与合金焊接时，进入焊缝和热影响区中的氢将会对接头产生极大危害，如在焊缝中形成氢脆和白点，这种危害是暂态性的，经过时效处理或热处理之后，可以消除；而如果产生气孔和冷裂纹，这种危害则是永久性的，这类现象一旦产生，是不能消除的，且危害相当严重。焊接材料的扩散氢含量高是焊接接头形成冷裂纹的三大因素之一。单位熔敷金属中测出的扩散氢越多，其产生冷裂纹的可能性就越大。为了测定焊缝中的氢含量，国际上都制定了相应的测试标准，如GB/T 3965―1995《熔敷金属中扩散氢测定方法》、美国AWS A4.3―1993《测定马氏体、贝氏体、铁素体钢电弧焊焊缝金属中扩散氢含量的标准方法》和JIS Z3118―2007《钢质焊缝扩散氢含量测量方法》等。

1 扩散氢的检测方法

熔敷金属中扩散氢含量是指焊后立即按标准方法检测并换算为标准状态下的氢含量。熔敷金属扩散氢含量是判断焊接质量和焊条质量的重要依据之一[1-4] 。为了使测氢准确和便于比较试验结果，从20世纪初开始，产生了许多测定熔敷金属中扩散氢的方法。目前，最为广泛的扩散氢的测定方法有4种，即甘油法，水银法、气相色谱法和载气热提取法。

1.1 甘油法

甘油法是以甘油为介质，用气体排液法把扩散氢收集到一个密闭的集气管内进行测量。甘油法主要的优点是，具有低的蒸汽压力，化学稳定性好，对人体无害，并且价格便宜。但是甘油因其粘度大，使氢气泡往往附着在试样以及测量管壁上或浮在甘油中而不能浮升到集气管顶部，而且甘油能溶解部分氢，故甘油法测量准确性差，因而不适用测量低氢和超低氢焊接材料的扩散氢含量。

1.2 水银法

水银法是国际标准化组织规定的标准扩散氢测定方法。水银法与甘油法相似，是以水银作为介质收集扩散氢。水银法测氢的主要优点是水银不吸收氢，测试精度非常高（可达0.05 mL），它是一种基准方法，可用于校验其它测氢方法的可靠性。但水银对人体有害，而且会对环境造成污染，加之水银的价格比较贵，限制了它的实际应用范围。

1.3 气相色谱法

气相色谱法测定扩散氢，正被日渐推广。气相色谱的原理就是利用氢敏色谱元件转为电信号并用数字显示[5]。该方法既克服了水银法的毒害和污染问题，又解决了甘油法测氢精度低的缺点，数据处理自动化，快速、灵活、精度高，测定范围宽，而且可排除由于各种原因混入的空气的干扰，测定结果精确可靠。在高氢测定范围和超低氢测定范围都具有良好的精度和准确度。但气相色谱法也存在一些缺点，如仪器价格高，操作复杂等。

1.4 载气热提取法

传统的方法集气时间长，制约了扩散氢测量的效率。近些年，更高效的测量方法被陆续发明出来。载气热提取法就是其中之一。载气热提取法是采用热导检测器（TCD）通过测量不同组分的热导率将浓度变成电信号来测定氢气体积。与其他的扩散氢检测方法相比，载气热提取法一个非常显著的特点是可以加温促进氢快速扩散出来，从而实现边扩散边收集边测定。样品在可进行程序升温的红外加热石英式炉内（最高达900 ℃）或采用电阻丝加热的样品炉内（温度最高可达1 100 ℃）进行热提取。当温度加热在300～400 ℃时，可最短在几十分钟内快速测定扩散氢的含量，但应控制不超过400 ℃，以免释放残余氢。

载气热提取法收集样品中扩散氢，是通过载气（N2）携带扩散出的氢气至热导检测器（TCD）进行检测。N2纯度要求不小于99.999 %，所以选择氮气作为载气的原因是氮气和氢气的热导率差别较大。然而，载气中的其他气体杂质，如CO， H2O也会影响热导。因此，在到达检测器之前这些杂质必须从气路中除去。分析气流经过的第一个试剂管是苏氏试剂，它可将CO选择性的定量转化为CO2，然后通过装有分子筛的试剂管去除，其他杂质也可通过分子筛去除。

载气热提取法的优点是快速、准确、可靠，大大提高了效率。但也存在仪器价格高，操作复杂等问题。

2 4种测氢方法的比较

国内外已有许多研究将不同的测定扩散氢的方法进行比较。研究表明，甘油法的测氢值远远低于气相色谱法，而且当扩散氢的含量越低时，它们相差倍数差越大。因为收集介质甘油对扩散氢具有一定的浓解度，且甘油粘度大，导致扩散氢不易上浮，因此会带来较大误差。而气相色谱法对超低氢含量的分析有着很大的优越性。气相色谱法与水银法相比，水银法和气相色谱法的测定结果基本相当。两种方法具有相似的准确度。而甘油法与水银法相比较，一般情况下，甘油法测定扩散氢的含量只有水银法的50%～75%[6]。还有研究表明，载气热提取法与水银法相比，当氢气含量大于3×10-2 mL/g时，载气热提取法测定扩散氢含量会大于水银法测得的结果；当扩散氢浓度较低（小于3×10-2 mL/g）时，两种方法得到的结果基本一致。同时研究还表明，焊接样品在150～400 ℃进行脱气与室温（20 ℃）时相比并不会导致收集到的扩散氢量有所增加，而进行较高温度的氢提取可以大大缩短试验时间。

在测试时间及温度方面，甘油法、水银法、气相色谱法的扩散氢收集温度均为45 ℃，收集时间均为72 h。载气热提取法温度为400 ℃，收集时间为21min，相比之下，载气热提取法更加的快速，便捷。

3 扩散氢含量的影响因素

根据对焊接过程进行分析，结合国内外资料，影响扩散氢结果的原因很多，在其它过程符合标准的情况下，主要有以下因素。

3.1 焊接参数

焊接热输入对扩散氢含量的影响分为两方面。一方面，随热输入的增加，熔池在液态中存在的时间增长，有利于扩散氢的溢出，减少熔敷金属中扩散氢的含量。其次，从焊接条件看，热输入的增加主要是电流的增长幅度较大，而电流的增加对熔池的作用力如电磁力、熔滴冲击力有所加强，使熔池金属中液态金属的流动速度和搅拌作用加强，也有利于氢的溢出，使扩散氢含量减少。另一方面，随着热输入的增加，氢在熔池中存在的时间较长，溶解度增大，使得含氢量增大，所以它们之间存在一个平衡点[7]。焊接电压的高低，对扩散氢的含量也有一定的影响，但是在实际操作中，低氢焊条都尽量采用短弧施焊，其影响可以不考虑。

3.2 焊接道数

通常都是利用单道堆焊方法测氢，但实际焊接结构，有单道焊与多道焊，快速与冷慢速之分。多道焊接时，不论是水冷还是空冷，焊缝中扩散氢的含量基本上与单道焊是处于同一水平的。多道焊接时，焊缝中的氢不但有向外溢出的过程，也存在一个向内溶解的过程，即后续焊道中过饱和的氢向前一道扩散，形成一个所谓的积累过程。但随着焊道数的增加，扩散氢溢出的路程增长，溢出需要的时间增加，因而增加了产生延迟裂纹的危险性。

3.3 冷却方式

不同的冷却方式对扩散氢的含量影响也是不同的。目前研究了两种冷却方式，即在冰水中冷却后再放入液氮中冷却，和直接放入液氮中冷却。研究对比了两种冷却方式，相比之下直接放入液氮中冷却的冷却方式扩散氢含量较低，这是因为在完成焊接后，迅速的在液氮中冷却首先隔热气体保护膜包围住了试件，这就大大降低了冷却率。

3.4 焊接环境

影响焊接接头中扩散氢含量的因素很多，其中焊接环境的温度和湿度对焊缝中扩散氢含量有很大的影响。有研究表明，当环境空气中相对湿度一定而温度不同时，熔敷金属中扩散氢含量随着环境温度的升高而升高。当环境温度相同而相对湿度不同时，熔敷金属中扩散氢含量随着相对湿度的升高而升高。熔敷金属中扩散氢含量随着空气中的水蒸气分压，即绝对湿度的增加而明显增加。

4 结束语

近年来，随着焊接行业的不断发展，扩散氢的测定方法越来越被人们重视。文中所述的测氢方法都有一定的局限性，随着超低氢焊接材料的研制不断取得重大进展，研制更精确、可靠、简便、经济及没有公害的新型测氢方法显得尤为重要。

在对于影响扩散氢含量的因素方面，由于焊接热循环本身是一个非平衡过程，因而焊接热循环各参数对扩散氢的影响非常复杂，有待于进一步深入研究。

参考文献

[1]漆廷邦， 雷素范， 刘景美. 气相色谱法测量熔敷金属中扩散氢的仪器HD-3扩散氢测定仪[J]， 焊接技术， 1994（6）：8-10.

[2] 张文钺， 祝美丽. 焊接冷裂敏感性的有效扩散氢及氢扩散因子[J]. 焊接学报， 1991， 12（3）： 129-135.

[3] 王晓东， 文九巴， 魏金山. 低合金高强度焊接结构钢扩散氢的研究进展[J]. 洛阳工学院学报， 2002， 23（2）： 16-20.

[4] 杜则裕， 张智. 合金钢焊接区扩散氢的动态分布[J]. 中国机械工程， 1994， 5（1）： 10-13.

[5] 刘翠荣， 吴志生， 赵钰. CO2气保焊焊缝扩散氢含量的测定[J].山西机械， 1998（3）：6-7.

[6] 尹世科. 国内外扩散氢测定方法现状与研究动向[C]. 西安：第六届全国焊接学术会议论文集，1990.

金属氢范文第5篇

关键词：合成金属；氢；实验方法

1 概述

氢是周期表的第一号元素，室温常压下其单质为气态的双原子分子H2。使氢在极高压下变成金属的想法由来已久，1935年Wigner和Huntington从理论上证明金属氢的存在的可能性，并预言在25GPa高压下，氢分子组成的固态氢将转变成呈现出金属性质的同素异形体金属氢。[1]此后的实验表明，对压力的最初估计不足，使氢金属化需要更高的压力。

金属氢有重要的理论与应用价值，在木星等天体中氢是主要成分，金属氢也被认为会存在于这些大质量的行星内部研究金属氢的性质，对于了解和解释它们的内部结构和强磁现象是很重要的。Ashcrof曾提出金属氢可能具有很高的超导转变温度，是一种很理想的超导材料。金属氢的高密度特点也使其成为一种理想的储氢方式、高能燃料。因此如果能用人工的方法合成出金属氢，将有特别重大的意义。

2 金属氢研究的历史回顾

2.1 实验方法

产生金属氢的实验方法是对H2施加高压。压缩H2的实验技术分为动态压缩法和静态压缩法，动态压缩法以利用爆炸冲击波产生的瞬间高压和迅变高磁场产生的瞬间高压为主，优点是产生的压力很高，但也有缺点，一是实验费用昂贵，二是冲击波压缩以绝热方法进行，大部分能量转化为热，使样品温度升得很高，这时很难说氢是固态还是等离子体。1962年英国剑桥大学的福勒就曾推测，在足够的温度和压力下，分子氢可能会转变成一种致密的等离子体，即离子化的气体；三是由于其冲击波压力持续时间短，只有0.1～1.0μs，使许多深入的物理测量很难进行。

因此现在更多采用的是静态压缩法中的金刚石压砧（DAC）技术，DAC技术的优点是不仅可以持续产生高达300GPa的压力，而且由于金刚石窗口可透过高能X射线、γ射线和低能紫外线、可见光、红外线，因此通过它可以进行光吸收和反射、拉曼和布里渊散射、X 射线和中子衍射等各种物性测量和相变研究。DAC设备并不大，只是2块金刚石靠在一起，中间有线度为几十微米的空间放置固态氢。

在上述的方法中，要求的压力极高，现有技术条件下以至于样品空间小、产量低，无法进入实用状态，因而迫切需要研究一些降低金属氢转变压力的方法。1971年Gilman提出把氢置于介电常数较大的媒质中（如常压下稳定的LiF），可以降低金属氢转变压力，得到的LiH2F也可能具有超导性，且超导转变温度相当高。1983年，Carisson和Ashcroft提出添加杂质或缺陷以降低价带和导带间的能隙，并提出用过渡族金属元素最合适，另外用强光源照射（如激光或同步辐射光源）可以产生电子-空穴对，从而在固氢中产生负压力，起到降低外压效果。

2.2 进展

随着超高压技术的发展，已能在金刚石对顶砧（DAC）上产生250～300GPa的静态压力。1978年，美国卡内基研究所地球物理实验室毛河光等人在DAC上压力达172GPa后，率先进行了该压力范围的物性测试。1988年毛河光等人取得了突破性进展，发现固体氢在150GPa压力和77K低温条件下发生相变，新相被称为Ⅲ相或H2A 相。1989年，毛河光小组把压力提高到250GPa，证明氢仍是分子态，在250GPa以上，发现氢样品变黑，成为不透明，氢分子是否拆键还有待证实。[2]

3 新思路

传统方法一直试图通过高压使共价键断裂，将氢分子解离成氢原子转化为金属氢。化学反应产生新物质的本质是旧化学键断裂和新化学键形成的过程，但超高压使化学键断裂的效果并不好，即使在250GPa的压力下，氢分子中的共价键也没有断裂。而这个问题兴许可以通过引入化学方法巧妙的解决。

高压难以破坏的共价键，可以用简单的化学反应破坏。例如氢气的不稳定同素异形体三原子氢，就可用低压放电管制备。[3]将高压和电化学反应结合起来，可能会产生新的突破。

旧键断裂必然伴随着新键产生与新物质的生成，用化学方法打破H2的共价键意味着氢元素也会参与反应，产生其他物质，所以除了H2产生三原子氢的反应外，其他化学反应似乎无法利用。但我们不妨逆向思维：不是把H2置于高压下，而是把产生氢单质H2的化学反应置于高压下进行，相当于直接压缩反应中间体，绕开了使H2共价键断裂的问题，在高压下可能产生新的氢单质，例如金属氢。

3.1 化学方法

将产氢的化学反应置于高压下进行，在高压条件下产生的氢单质可能不是氢气H2，而是氢的其他同素异形体。可能利用的产氢反应如碘化氢的分解、水的电解、酸与金属的反应等。

3.2 电方法

虽然250GPa的高压也无法破坏H2的共价键，但低压放电管中却可以产生一种氢的同素异形体：H3。用里德伯光谱可直接测定H3的结构， 它的三个氢原子核排列成一个等边三角形，这是一种极不稳定的氢单质，存在时间极短。但可能对于合成金属氢具有潜在价值。

参考文献

[1]Wigner E， Huntington H B. J. Chem. Phys.，1935，3：764.

[2]陈良辰.金属氢研究新进展[J].物理，2004，33（4）：261-265.

[3]Naturwissenschaftliche Rundschau，1981.

金属氢范文第6篇

1试样的制备

其一，根据我公司应用金属产品中氢含量低以及G8GALILEO氢分析仪进样炉体结构特点，将试样加工成φ4～5mm，长度在80～100mm的圆棒。经实验表明，车床加工的转速、进刀量、走刀速度以及车削次数都对氢的测定结果有影响，因此本文对试样加工有选择要求。试样加工步骤及要求：A.试样加工前要用丙酮清洗刀具及试样。B.将试样一端约φ15～20mm夹入车床（也可做试样标识），另一端加工成φ4～5mm，长度在80～100mm的圆棒。C.试样表面切削深度大于0.3～0.5mm。其二，加工后的样品立即分析，不要延误，以免氢的扩散和逸出。不马上分析的试样，应贮存在冷冻剂中，较为合适的方式是用液态氮或者丙酮和二氧化碳干冰的膏剂保存，也可贮存干燥器皿中。其三，实验表明试样分析表面受到油、脂、碳氢化合物或水分的污染会严重影响测量结果的准确度，因此应在分析前用四氯化碳或丙酮对试样进一步清洗除去，冷风吹干。

2试样称量质量的确定

由于我公司生产冶炼产品工艺要求氢的质量控制小于6ppm，GS/T223.82-2007国标分析方法采用单点校正，消除空白的实验方法，因此经实验证明试样的称量与标准物质越接近，测定的测量结果越准确。

3分析参数的选择

本实验采用美国生产的标准物质AR556，（6±0.5）ppm和不锈钢YSBS20602-2008，（3.55±0.15）ppm，及我公司生产冶炼产品，编号：23-2-5-1453-6504在不同控温度下进行分析，结果见表1。由表1数据可以看出，控制温度在1400℃～1450℃时有少部分样品没有得到熔化氢没能完全释放出来，因此测定的样品结果偏低；控制温度在1650℃～1700℃时样品虽已完全熔化，但观察分析后的石墨坩埚发现样品较脏，略有渗碳现象，控制温度在1500℃～1600℃时标准物质的测定结果在误差范围。钢材的熔点是1420℃～1600℃，因此该实验选择分析控制温度为1550℃。

4精密度实验

对美国生产的标准物质AR556，YSBS20602-2008，以及我公司生产的进行10次分析，结果见表2。标准物质AR556重量平均值为1.0420g,平均值为5.92ppm，相对偏差（s）为0.13，相对标准偏差为2.11%，本实验方法精密度良好。

5结论

金属中氢的含量很低，钢铁及合金中含氢量一般小于10ppm。布鲁克生产的G8GALILEO氢分析仪，参数设置中独具有温度设置功能，可以非常直观设置分析温度，这样就可以根据不同金属材料试样熔化温度的不同，对所分析试样温度设置，因此，本实验方法可以准确测定金属中氢含量。

金属氢范文第7篇

例一、把铁钉和碳棒用导线连接起来后浸入下列溶液①稀硫酸 ②食盐水 中，都会发生的变化是（ ）

A．碳棒上放出氧气B．碳棒得电子被还原

C．碳棒上放出氢气D．铁钉失电子被氧化

解析：把铁钉和碳棒用导线连接起来后无论浸入稀硫酸中还是浸入食盐水中，都构成了原电池装置，发生原电池反应。

浸入稀硫酸中时（较强的酸性环境），由于铁与硫酸可发生自发的氧化还原反应 Fe＋2H+=Fe2+＋H2，因此该电池反应就是金属的析氢腐蚀 负极（铁）：铁被氧化Fe-2e－Fe2+ ；正极（碳）：溶液中的H+被还原2H++2e－H2 。

浸入食盐水中时（中性环境），铁与氯化钠或水都不能在常温下发生反应，但由于敞开体系的水中都有溶解的氧气，此时就要考虑金属的吸氧腐蚀：负极（Fe）：Fe-2e－Fe2+ ；

正极（C）：2H2O + O2 + 4e － 4OH― 。

可见，无论是析氢腐蚀还是吸氧腐蚀，其负极反应都是金属失电子被氧化，而正极材料碳棒不参与反应，只是溶液中的H+或溶解的O2在正极表面得电子被还原。

答案：D

例二、把铜片和碳棒用导线连接起来后浸入稀硫酸中，试写出电极反应式和电池反应。

解答：虽然稀硫酸属于较强的酸性条件，但是由于铜元素属于金属活动顺序表中的氢后元素，铜与稀硫酸之间并不能发生氧化还原反应，因此，此时不能发生析氢腐蚀。但是该装置又确实属于原电池，在这种情况下，只能考虑吸氧腐蚀。发生的反应为

负极（Cu）：2Cu -4e－2Cu 2+正极（C）：O2 +4H++ 4e －2H2O

电池反应：2Cu＋O2 + 4H+=2Cu 2++2H2O

金属氢范文第8篇

一、金属氢化物储氢装置结构设计

1.整体结构设计黄岳祥[2]发明了一种金属氢化物储氢装置，如图1所示，外部由外壳、盖、接头、阀门组成，内部装填储氢合金粉和导热结构，气体阀门与过滤器连同固定于接头上。壳体、盖和密封圈为压缩密封方式连接，筒体、盖和材料采用压缩密封。该罐体结构简单，可以有效的通过压力和温度的控制，使储氢装置进行吸放氢循环。林根文等[3]等发明了一种不锈钢储氢装置，如图2所示，采用不锈钢锭以镗出成形的方式形成中空圆柱作为外壳，内部填充储氢合金或与泡沫金属复合的储氢合金颗粒，以螺旋密封的方式将焊接有气体阀门的金属顶盖与罐体结合，形成一定的机械强度和耐压性能；在不锈钢圆筒外壳内叠层布置有中心孔和漏料孔铝导热支架，中空圆柱形过滤器与密闭盖板的中心圆孔处通过填料函密封连接；导热铝支架可以快速传热；过滤器可防止储氢合金粉末随气体流通到外部。该储氢装置综合考虑了罐体耐压、内部传热的问题，但内部结构较为复杂，给加工带来一定的难度。汉氢科技股份有限公司的施志刚[4]在储氢装置内部设计了巢室结构，其内壁与储氢装置长轴相垂直，便于氢气的进出，同时有效提高热传导效率。巢室结构保证了储氢装置的快速吸放氢能力，但该结构体积较大，降低了储氢装置内部空间的利用率，减小了储氢合金的装填量，增加了储氢装置的自身质量，影响了储氢装置的重量储氢密度及体积储氢密度；同时蜂巢结构的加工过程较为复杂。

2.传质、传热结构设计金属氢化物形成储氢合金和氢气的过程是一个吸热过程，需要一定的热量，如温度太低，会自动停止放氢。因此，需要储罐筒体传热效果好，能够与外界充分进行热交换，才可以使氢气稳定、均匀地释放。且由于氢气在金属氢化物床上的流通存在一定的阻力，需要提供传质的通道，促进氢气的快速流动。刘晓鹏[5]等使用圆柱型储氢装置（直径70mm，高度70mm），在装置仅与外界进行空气热交换的条件下，利用二维传热模型模拟计算了储氢装置吸放氢过程中内部热场的分布。结果表明，仅与空气进行换热的储氢装置内部合金反应床存在明显的温度梯度场，吸氢时储氢装置中心部位的温度最高，需要强化其芯部换热条件，以提高储氢装置的吸放氢性能。（1）导热金属为了提高金属氢化物储氢装置内部金属氢化物床的传热性能，加强与外界的热交换，可以在储氢装置内部设置热交换部件，如在罐体内部组装金属导热片，或在罐体内部设置可通过介质的换热管道，通过导热介质的流动在内部及内外部之间加强热交换。王仲民等[6]发明了一种集成内部分层导热构架的固态储氢装置，如图3所示。内部导热构架由十字形导热架和导热托盘组成，十字形导热架通过两片高导热的金属片按十字形卡装，导热托盘的上方设置有十字形沟槽，下方设置有固定支点的十字形导热架。内部导热构架和内胆通过在内胆上设置的沟槽加强接触，在装置的进出气口位置设计安装分气阀，分气阀连接于密封法兰上的进气口和最上方的十字形导热架上的沟槽，上、下通过卡槽连接，分气阀和导热托盘上的通气孔将进出气口和各腔室连接起来。但该装置外部结构复杂，给使用带来不便。（2）导热流动介质石锋[7]在储氢装置筒体内连有导热片，进氢出氢阀门分别连接到筒体两端外侧，过滤器穿过导热片中心孔，两端分别与氢气进出阀门连接；在筒体内有沿筒纵向设置并与导热片连接的蛇形水循环管，其出水口和入水口分别设置在筒体两端的封头上，放氢时所需的热量由蛇形管通热水提供，吸氢时释放出的热量由蛇形管通冷水带出，可有效进行热传递。Sakaguchi[8]等人为了改善传质和传热过程，发明了一种储氢装置，在内部设置一个内筒体，将一个曲折的金属线型管道围绕内筒体，金属线型管道和外部连接，可以通过管道内的介质与外界进行热量交换。Katsuyoshi[9]等人发明了一种储氢装置，如图4所示，其热交换部件为包含热介质管的热交换器和内部的翅片结构，热交换翅连接到加热介质管中，并把罐子内部分成多个空间。在强化和外界进行热交换的基础上，有效将空间隔离，在大量的储氢合金粉末发送膨胀或者粉化的时候，防止热交换器变形或者被破坏。（3）蓄热结构王尔德等[10]发明了蓄热式高效圆柱状储氢装置，如图5所示，来解决镁基储氢材料在应用过程中放氢温度过高、吸热量过大、能量有效利用率低的问题。该装置的外罩和内罩之间形成真空层，内罩内壁有绝缘层，蓄热管在绝缘层内均匀分布，形成螺旋状，在最外层蓄热层内侧，氢气分布及过滤管穿过氢气过滤层安装在内罩中间水平位置，氢气过滤层安装在支撑板上，支撑板安装在内罩上，传热管一端有输入端口，另一端有输出端口，内部装有导热油介质。将镁基储氢材料在吸氢过程中产生的热量通过蓄热管将其蓄积起来，长期储存在储氢装置内部，在放氢的过程中，这部分能量将满足镁基储氢材料放氢过程的部分需要，从而达到节约能量，降低储氢装置综合能耗的目的。黄岳祥等人[11]发明了具有自动充放氢气功能的金属氢化物储氢装置，由罐体、制冷机和加热机构组成，罐体内有氢气进出通道、氢气过滤器、导热片、导热纤维和储氢合金；制冷结构有制冷热管和散热翅片，制冷热管一端在罐体内与储氢合金接触，另一端在罐体外，与散热翅片相连接；加热结构有加热管和吸热翅片，加热管一端在罐体内与储氢合金接触，另一端在罐体外，与吸热翅片相连接。（4）氢气流动管道为了便于装置内部的氢气能够流动畅通，可在装置中心部位放置气体导流管。张沛龙[12]在储氢装置内部采用网状金属导流管结构，丝网结构可以提供多个氢气流动热传导通道，不易发生堵塞，确保了储氢装置的快速吸放氢性能。浙江大学的陈立新等[13]发明了一种储氢装置，壳体上有中心孔，壳体内交替迭置不吸氢的泡沫状金属基板、填充储氢材料的料片和不吸氢的金属分隔片，内部设有提供氢气流通的过滤导流管。金属分隔片可以起到导热作用，有效防止储氢材料的团聚；过滤导流管可以促进氢气的流动。

二、储氢合金的装填

储氢合金粉末的导热率低，在吸放氢过程中由于热量没有及时传递，会造成罐体内部吸放氢速度的缓慢甚至停止；同时储氢合金粉末吸氢膨胀，需要预留一定的间隙。因此，储氢合金的装填方式对金属氢化物储氢装置的性能影响较大，除了在装置内预留一定的间隙供储氢合金粉末体积膨胀外，主要通过以下几方面进行改善。

1.和其他导热性较好的材料混合装填蔡乐勤[14]采用电化学沉积方法，将镁基合金沉积在导电金属材质的金属基体上，形成合金片层结构，厚度和镁含量可以通过中间过程来控制。罐体内部填充这种多层镁基储氢合金片结构，层与层之间有一定的空隙，提供储氢合金吸氢后体积膨胀的空间，同时对合金粉末进行隔离，避免了合金粉末的堆积。这种结构可以大大提高镁基储氢合金的活性，且提高了装置的稳定性。陈长聘[15]等为了改善储氢装置内部的传热传质性能，利用颗粒状的储氢材料与1%～10%（质量分数）不吸附氢的金属纤维或合金纤维混合装填的方式，如图6所示。金属纤维有足够大的表面积，可以进行热传导，能有效防止储氢材料及其氢化物粉末流动形成堆积，提高储氢材料及其氢化物粉末的传热性能。

2.和液体溶剂组成混合浆料美国布鲁克海文国家实验室[16]提出了采用化学溶剂与储氢合金颗粒形成悬浊液的方法，向罐体内注入正十一烷、正辛烷或者硅油之类的有机溶剂，改善传热性能，但由于加入了大量的不吸氢的有机溶剂，提高了储氢装置的单体质量，降低了体积储氢密度和重量储氢密度。

3.和金属基变相结构材料混合装填张沛龙等[17]等发明了一种金属氢化物储氢装置，内部填料区是以一定厚度的泡沫金属材料或泡沫金属基相变复合材料包裹储氢合金粉，卷成圆筒状进行填料，泡沫多孔材料为储氢合金粉提供储存位置，有效抑制了合金粉的流动堆积；金属骨架结构为储氢合金粉提供了良好的导热通道，泡沫金属基相变复合材料可以缓和储氢合金吸放氢中的热效应，提高热量利用效率。

三、复合储氢系统

1.金属氢化物储氢装置与高压储氢复合日本汽车研究所、日本重化学工业及Samtech开发了将金属氢化物储氢与高压储氢相结合的复合储氢系统，在高压罐中设置装填有储氢合金的管芯，高压氢气填入储氢合金的缝隙内；罐体内部安装有热交换器，通过温水或热水促进在合金吸放氢过程中与外界的热交换。利用高压储氢吸放氢速度快、重量储氢密度高的优点及固态储氢体积储氢密度大，安全性能好的特点，综合两者的优势，得到重量储氢密度和体积储氢密度相对较高的复合装置，见图7所示。最终制备了内容积为40.8L、总质量为89.6kg、氢储藏量为1.5kg的复合储氢罐，其储存氢气的量为同体积的35MPa罐的1.5倍。丰田公司也正在进行复合储氢装置的开发，该公司采用有效吸氢量为1.9%（质量分数）钛-铬-锰（Ti-Cr-Mn）储氢合金和35MPa的罐体复合储氢，可存储的氢气是同体积35MPa罐的2.5倍。葛红卫[18]开发了复合储氢装置，采用储氢材料作为介质，研制了40MPa的轻质高压气瓶，在内部装填储氢容量质量分数为1.6%(Mm-Ml)0.8Ca0.2(Ni-Al)5储氢合金后，当体积为20%时，复合式储氢容器的体积储氢密度与单纯的高压储氢相比，增大50%。张沛龙等[19]发明了一种复合储氢系统，由一级金属氢化物储氢罐、二级高压储氢罐、散热器和温度传感器组成。散热器在一级储氢罐内，和内壁紧密接触，散热器内部为弓字形通路或加入金属翅片形成扇型结构，可提高储氢合金粉和氢气的接触面积，温度传感器插入到储氢合金粉内部，可实时监测温度；2个储氢罐之间以管路和阀门连接，通过阀门来控制氢气的对流。该系统具有较高的体积储氢密度、重量储氢密度，可有效提高储氢装置的热交换效率，实现快速充放氢。

2.金属氢化物储氢与水解制氢复合黄岳祥[20]发明了一种由储氢装置、热交换器、管道和控制器构成的复合储氢装置，结合盐型氢化物水解制氢和金属氢化物储氢的特点，利用水解制氢时产生的热量提供给储氢合金放氢时使用，使系统达到热量的收支平衡。复合储氢装置内的2种吸、储氢装置中间装有配备热交换介质的热交换器，通过循环泵的作用在热交换管内流动以达到两种储氢装置之间的热量交换的目的。

四、结论

目前，金属氢化物固态储氢技术已经较为成熟，在装置的结构设计、储氢合金的装填方法及其他方式复合储氢方面都积累了一定的经验，总结如下：①装置的罐体目前多采用不锈钢圆筒状罐体，通过整体结构设计，保证储氢装置的密闭性及耐压性，防止合金粉末堆积造成局部阻力过大；在罐体内部设置导热片、热交换翅片、供热交换介质流动的导流管等结构，增强热交换性能；②在合金的装填方式上，通过和其他导热性好的金属纤维或基片混合装填，可以有效改善合金导热性差的问题；③复合储氢系统如高压、固态复合，可以有效结合二者优点，具有一定的推广应用前景，但这种系统结构复杂，成本较高，主要适用于对重量储氢密度和体积储氢密度要求比较高的领域，如车载氢源；④在重量储氢密度更高的储氢合金开发成功的基础上，基于该种合金开发储氢装置，改善其固有的重量储氢密度低的问题。金属氢化物储氢装置除了其本身重量储氢密度低的固有特性外，仍然存在结构复杂、加工难度高的问题，开发一种结构简单、吸放氢动力学性能好的储氢装置可以进一步促进该装置的应用。

金属氢范文第9篇

关键词 气相；焊接质量；裂纹

中图分类号TG4 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）119-0178-02

焊接区内，气体成分比较多，在焊接过程中，熔池周围充满着各种气体。这些气体和熔渣与熔化金属之间不断地进行复杂的冶金反应（氧化与还原、有害杂质去除等），影响焊缝金属的成分和性能。所以，首先要知道焊接区气体的来源、成分和数量，并采取有效措施减少和消除气体带来的不利影响。

1焊接区内的气体

焊接区内的气体主要来源于以下几个方面：

1）焊接材料，焊条药皮、焊剂和焊丝药芯中含有造气剂、高价氧化物和水分都是气体的重要来源；

2）热源周围的气体介质，药皮或焊剂中的造气剂所产生的气体并不能完全隔绝热源周围空气的入侵，空气也有可能进入到焊缝金属中；

3）焊丝和母材表面上的杂质，如焊丝表面上和母材坡口附近的铁皮、油污、铁锈、吸附的水分等，在焊接高温加热时也会析出气体进入电弧区；

4）高温蒸发所产生的气体，电弧区的温度很高，达到了金属和熔渣的沸点，是部分金属和熔渣蒸发，以气体的形态存在于电弧的气相中。

焊接区内的气体主要成分是CO、H2、H2O（水蒸气）、CO2和少量的氮，这些气体在高温时，这些气体在高温时将分解出一定的氧，以及它们分解或电离的产物所组成的混合物。气体中，以氢、氮、氧三种气体对焊缝金属质量的影响最大。

2 氢对金属的作用及其控制

2.1 氢在金属中的溶解度

如果是双原子气体，例如H2，O2等，只有分解为单原子或者是离子状态才能融入到金属中。氢和氮气体在铁中的溶解度与温度的关系见图1。

从图中可以看出：

1）当T

2）在液固转变点温度时，氢的溶解度突然急剧下降，就会形成氢气孔；

3）在铁元素不同晶体结构中，氢的溶解度是不同的，一般在面心立方晶格的溶解度要比体心立方晶格的溶解度要大。

2.2 氢对焊接质量的影响

氢是还原性气体，焊接时有助于减少金属氧化的倾向。但在多数情况下，氢的有害作用可分为两种类型：一种是是暂态现象，包括氢脆和白点，这种现象通过相应的热处理或时效处理使氢自焊件中逸出，即可消除；另一种是永久现象，它们一经出现就无法消除，如气孔、裂纹等。

1）氢脆，金属在室温时因吸收氢而导致塑性降低的现象。实验表明，氢对钢的屈服强度与抗拉强度没有明显影响；而塑性，特别是断面收缩率，则随着氢含量的增加而急剧下降。氢脆现象是溶解在金属晶格中的氢引起的。在金属拉伸过程中，内部的位错也发生运动和并不断积累，在金属内部形成了一些显微空腔。同时，溶解在晶格中的氢原子沿着位错运动的方向扩散，逐渐聚集到显微空腔内，这些氢原子互相结合为双原子氢。这个过程使空腔内产生很大的压力，从而导致金属变脆；

2）冷裂纹，在焊接接头中，冷裂纹是危害性极大的一种焊接缺陷，而氢是促使冷裂纹产生的主要因素之一。焊接时，溶解于焊缝中的氢，在冷却过程中溶解度下降，会向热影响区扩散。当某区域氢浓度很高而温度下降时，会向热影响区扩散。当某区域氢浓度很高而温度下降时，一些氢原子结合成氢分子，会在金属内部造成很大局部应力。对于淬硬倾向大的材料，在约束应力作用下就会产生冷裂纹；

3）白点，是含氢量高的碳钢或低合金钢焊缝断面上出现的银白色圆形斑点。许多情况下，白点的中心有小夹杂物或气孔，好象鱼眼一样，所以又称为鱼眼。白点是在塑性变形过程中产生的，使焊缝塑性严重下降。

2.3 限制氢的措施

限制焊接材料中的氢含量，在焊条药皮、焊剂和焊丝药芯的制造材料中，都不同程度含有吸附水、结晶水或溶解的氢，在焊接高温时，这些物质会分解为氢而溶入到焊缝金属中，危害其性能。

清除焊件和焊丝表面的杂质，焊件坡口及焊丝表面的氧化膜、铁锈中的吸附水和化合水，以及油污、水渍是焊缝金属中氢的又一主要来源。

进行冶金处理，通过焊条药皮和焊剂的冶金作用，改变电弧气氛的性质，抑制原子氢的产生，从而达到减低氢在液体金属中的溶解度的目的。

控制焊接参数，焊接参数对于焊缝金属的氢含量有一定的影响，焊条电弧焊时，增大焊接电流使熔滴吸收的氢的含量增加，增加电弧电压使焊缝氢含量减少。气体保护焊时，射流过渡比滴状过渡时熔滴中氢含量低，因为射流过渡时金属的蒸汽压急剧增大，氢的分压力大大下降，熔滴与氢的接触时间缩短。

焊后脱氢处理，就是利用氢的扩散能力，对焊件进行焊后加热，促使氢扩散并逸出，从而减少接头中氢含量。在焊接生产中，对容易产生冷裂纹的焊件，往往要求进行脱氢处理。

3 氮对金属的作用及其控制

3.1 氮对焊接质量的影响

气相中的氮主要来源于焊接区周围的空气。它在高温时溶入熔池中，并能最终留存在焊缝金属中。氮随着温度下降溶解度降低，析出的氮与铁形成化合物，以针状夹杂物的形式存在于焊缝金属中。在碳钢焊缝中，氮对焊接质量有以下几方面的影响：

1）形成气孔，当焊缝金属结晶速度大于他的速出速度时，氮气在焊缝结晶之前来不及逸出，就留在焊缝金属中形成气孔；

2）降低焊缝金属的力学性能，氮可以提高低碳钢和低合金钢焊缝金属强度，但是会降低塑性和韧性；

3）时效脆化，焊缝金属中过饱和的氮其实是处于不稳定状态。在经过一段时间后，过饱和的氮会以针状的Fe4N的形式析出，从而导致焊缝金属脆化。

3.2控制氮的措施

1）加强机械保护 焊接区的氮主要来源是空气，而且难以采用冶金的办法脱氮，因此加强机械保护是控制焊缝金属氮含量的主要措施；

2）选用合理的焊接参数 焊接参数对电弧和液体金属的温度，气体分解的程度及其在气相中的分压，因而也就必然影响金属的氮含量。增加电弧电压导致保护效果变差，氮与熔滴的相互作用时间变长，焊缝金属的氮含量增加。对于低碳钢而言，氮的溶解是个吸热过程，增加焊接电流使得焊缝中氮含量增加；

3）控制焊丝金属的成分 增加焊丝或药皮中的碳含量可以降低焊缝中氮的含量，这是因为碳能够降低氮在铁中的溶解度。

应当指出，上述措施中最有效、最实用的是加强机械保护作用，其他措施都有一定的局限性。

4 氧对金属的作用及其控制

4.1 氧对焊接质量的影响

通常氧是以原子氧和氧化亚铁两种形式溶解在液态金属中。

1）随着氧含量的增加，其强度、塑性及韧性指标都要下降，冲击韧性下降尤为明显。氧还引起热脆性、冷脆性及实效硬化；

2）导致气孔的产生。溶解在熔池中的氧与熔池金属中的碳反应，生产CO气体，而CO气体与熔池金属是不相容的，如在熔池结晶时CO气泡来不及逸出，则在焊缝中形成CO气孔；

3）合金元素的烧损，在焊接高温作用下，氧使焊缝金属中有益合金元素烧损，焊缝性能达不到母材的水平。

4.2 控制氧的措施

在正常的焊接条件下，氧的主要来源不是空气，而是来自焊条药皮、焊剂、保护气体、水分、工件和焊丝表面上的铁锈、氧化膜等。控制氧的主要措施一是纯化焊接材料和控制焊接参数，二是采用冶金方法进行脱氧。

1）控制焊接材料的氧含量 在焊接某些性能要求比较高的合金钢、合金、活性金属时，尽量少用或不用含氧的焊接材料，杜绝氧的来源；

2）控制焊接参数 焊缝中的氧含量与焊接工艺条件有密切的关系。增加电弧电压，空气易于侵入焊接区，并增加氧与熔滴接触的时间；

3）脱氧 用控制焊接参数的方法来减少焊缝金属中的氧含量是很瘦限制的，所以必须用冶金的方法进行脱氧，这是实际生产中最有效的方法。

参考文献

[1]张文钺.焊接冶金学.机械工业出版社，1999.

[2]王长忠.焊工工艺与技能训练.中国劳动社会保障出版社，2001.

[3]周正丰.焊接冶金学（金属焊接性）.机械工业出版社，1996.

金属氢范文第10篇

关键词：回收；可持续发展；节能减排

1 研究意义及目的

众所周知，氢气是一种用途非常广泛，燃烧效果好，产生热量多而且燃烧产物基本没有污染的能源，也正是因为这样的特点，才被广泛应用于各个领域，尤其是化工领域，氢气已经逐渐成为最受欢迎的能源之一。近些年来，随着可持续发展逐渐被世界各国所认同，大量国家都开始投入资金力求在氢气技术的使用，储存，回收领域投入了大量的人力物力，我国从长远的角度出发，对此也是大为重视，甚至上升到了国家发展战略层面。据相关数据表明，我国年氢气使用量已经超过6万亿立方米，已经成为世界上最大的氢气使用国之一；同时为了随着科技的进步以及我国经济发展的速度不断加快，我国石油化工、半导体、食品等各个领域的发展速度都可以说是日新月异的，为了能够满足这样的发展势头，就不得不将氢气的发展作为未来燃料发展的重心，我们有理由相信氢气将变为未来的最重要的能源，因此这片蓝海就会成为各个方面追逐利益的核心区域，能够抢占这一部分市场，那么得到的经济利益将是巨大的。我们的研究意义也正是着手于此，将化工企业产生的废气中的氢气进行回收，并加以利用。这样我们就相当于有了一个氢气的产出源，在很大程度上节约了成本，也做到了对尾气的处理净化。

2 氢气的回收再利用

2.1 氢气的储存

我们通常意义上说的氢都是以气态的氢，也就是我们说的氢气，但是氢气在储存和运输上存在着诸多难题，因此，如何对氢气进行处理从而方便存储就成为我们氢气回收再利用的首要问题。目前世界各国对于氢的储存有很多方法，公认的比较好的有三种，分别是：高压气态储存方法；低温液氢储存方法；金属氢化物储存方法。

2.1.1 高压气态储存

气态的氢一般都会被储存于地下的库房中，有时也被存储于特质的钢瓶里。气态的氢所占体积较大，为了达到储存更多的目的，就必须将氢气进行压缩，然而这种方法所需要的技术要求过高，而且存在着极大的危险性。因此使用率并不是很高。

2.1.2 低温液氢储存

当氢气被冷却至-254℃的时候，就会以液体的状态呈现，这样相对来说，可以减少氢的体积，之后就可以把他储存于特制的高真空的绝热容器里。这种方式被应用于航空航天技术中，但是这种方式的成本高，同时危险性较高，容易泄露（见表1）。

2.1.3 金属氢化物储氢合金储存

氢和氢化金属的反应是存在可逆性的。我们可以通过加金属氢化物，这样就能达到我们最终得到氢气的目的。反之，我们也可以通过让氢与氢化金属进行作用最终得到氢化物这一过程，最终就将氢以固态结合物的状态被保存下来了。对此我们可以通过化学反应方程式：2/nX+H22/nXHn±H （热）进行表述。也正是因为氢的化学性质比较活跃，和大多数金属合金都能进行反应从而形成金属氢化物，同时在反应过程中也会产生大量热量；而金属氢化物在吸收大量的热量之后也会释放氢气，从而达到我们的目的。该反应的正向我们可以理解为是储氢的过程、逆向则是释放氢的过程。方程式中的X我们可以理解成储藏氢的合金，其中蕴含着两种或两种以上的金属。我们也正是通过对相关的温度和压力等一系列条件进行变更，从而保证反应向我们需要的方向进行，最终达到氢气的储存和释放。氢吸附于固体合金的表层，在反应之后分解为氢原子，氢原子再不断的进行扩散最终进入到合金的晶格中，并随机分布，最终形成固溶体，我们可以称之α相。在晶格的内部，氢原子占据部分晶格位置，最终形成了金属氢化物，我们可以称之β相。当今国际上对储氢合金的研究取得了突破性的进展，目前已经得到了许多经过试验的储氢合金。一般来说，我们可以将其分成四大类，分别是：稀土镧镍等，单位镧镍合金的储氢量可达153；铁钛系，这类合金普遍被认为是现如今应用领域最广，使用率最高的材料，储氢量高达700，同时他还具有性价比高、操作难度小，还可在常温常压下释放氢，给使用带来极大的便利性等一系列优点；镁系，这类核心有一个很大的缺点就是需要在287℃时才能打到释放氢的目标，而且吸氢过程所需时间长，虽然这种释放氢的效果较好但是使用率却一直不高；最后一类是钒、铌、锆等多元素系，这类金属本身属稀贵金属，因此直接就限制了这种合金的使用。

2.2 金属氢化物储氢优势分析

2.2.1 氢气纯度高

氢分子可以通过合金的催化以氢原子的状态呈现，而后氢原子可以继续向金属内部进行扩散，最后氢原子会被储存在金属晶格内，这样排除其他杂质之后得到的氢在通过处理变成氢分子的纯度就非常高了，通常来说都大于99.9999%。

2.2.2 寿命长

储氢合金通常可以反复地吸放氢，而不减少其储氢容量，而且某些性能较好的合金的储氢容量即使被降低也是可以再重生的，同时储氢合金的使用寿命通常都比较长，能够满足正常的需求。同时它们具备既可作为氢燃料和氢物料的供应源，还能吸收废热，储存太阳能等优点。

因此我们使用该方法能够不断的提升安全性，保证没有泄漏，还能减少能源的损耗，最大限度上做到可持续发展。

3 氢气的运输

氢具有较好的可运输性，但是在实际应用中还是存在着许多的问题。首先，由于氢的质量特别小，因此特别轻，单位质量的氢的所需空间就非常大，甚至液态氢也具有这样的特点。其次，氢经常发生泄漏事故，举例：将氢作燃料的汽车作为样本进行观测，发现即使燃料容器密封非常好，会发生泄漏，甚至每24小时的泄漏率高达2%，对比汽油的每个月泄漏1%可谓是非常巨大的。因此如何对储氢容器以及相关的接头进行密封处理就成为运输的关键。第三，液氢的温度极低，经常出现冻伤工作人员的情况，如何搬运就成了极大的难题。

4 总结

对于化工废气中的氢的回收利用已经成为当今的一个重点研究方向，在未来极有可能对整个经济的发展，科技的发展，环境的保护产生巨大的影响。因此我们必须将这个课题深入研究，让真正的做到变废为宝，节能减排，可持续发展。本文较为深入的研究了这个问题，希望真正的能将这一理论付诸实践，改善废气的治理，也为企业提升利润率。

参考文献：

[1]陈廉，佟敏，龙瑞斌，等.纳米晶体锆基AB2型贮氢合金的制备和电化学性能研究[J].金属功能材料，1999，6：111-119.

[2]韩崇仁.加氢裂化工艺与工程[M].北京：中国石化出版社，2001.