金属粉末化学能，现在粉末冶金发展怎样

一、金属贮氢原理

某些过渡金属、合金和金属间化合物，由于特殊的晶体结构，使氢原子容易进入其晶格间隙中并形成金属氢化物，因此储氢量很大，可贮存比其本身体积大1000～1300倍的氢，当加热时氢就能从金属中释放出来。氢在金属中的这种吸入和释放，取决于金属和氢的相平衡关系并受温度、压力和组分的制约。通常，贮氢材料的贮氢密度都很大，比标准状态下的氢密度(5．4×1019at/cm3)高出几个数量级，甚至比液氢的密度(4．2×1022at/cm3)还高。由于贮氢材料具有上述特性，用它储运氢气既轻便又安全，不仅无爆炸危险，还有可贮存时间长又无损耗等优点。氢，普遍被认为是人类最理想的清洁的高密度能源，燃烧时只产生水而没有污染物，对环境保护有利。但要实现氢能源体系，氢的贮存问题首先要顺利解决，因此研究贮氢材料特别重要。

已实用和研究发展中的贮氢材料主要有：①镁系贮氢合金。主要有镁镍、镁铜、镁铁、镁钛等合金。具有贮氢能力大（可达材料自重的5.1%～5.8%）、价廉等优点，缺点是易腐蚀所以寿命短，放氢时需要250℃以上高温。②稀土系贮氢合金。主要是镧镍合金，其吸氢性好，容易活化，在40℃以上放氢速度好，但成本高。③钛系贮氢合金。有钛锰、钛铬、钛镍、钛铁、钛铌、钛锆、钛铜及钛锰氮、钛锰铬、钛锆铬锰等合金。其成本低，吸氢量大，室温下易活化，适于大量应用。④锆系贮氢合金。有锆铬、锆锰等二元合金和锆铬铁锰、锆铬铁镍等多元合金。在高温下（100℃以上）具有很好的贮氢特性，能大量、快速和高效率地吸收和释放氢气，同时具有较低的热含量，适于在高温下使用。⑤铁系贮氢合金。主要有铁钛和铁钛锰等合金。其贮氢性能优良、价格低廉。

贮氢材料(hydrogen storage material)是在一般温和条件下，能反复可逆地（通常在一万次以上）吸入和放出氢的材料。又称贮氢合金或储氢金属问化合物。这种材料在一定温度和氢气压强下能迅速吸氢，适当加温或减小氢气压强时又能放氢的材料。

贮氢材料多为易与氢起作用的某些过渡族金属、合金或金属间化合物。由于这些金属材料具有特殊的晶体结构，使得氢原子容易进入其晶格的间隙中并与其形成金属氢化物。其贮氢量可达金属本身体积的1000～1300倍。氢与这些金属的结合力很弱，一旦加热和改变氢气压强，氢即从金属中释放出来。

贮氢材料用途

贮氢材料用途广泛，除用于氢的存贮、运输、分离、净化和回收外，还可用于制作氢化物热泵；以贮氢合金制造的镍氢电池具有容量大、无毒安全和使用寿命长等优点；利用贮氢合金可制成海水淡化装置和用于空间的超低温制冷设备等。

特性

贮氢材料须具备以下基本特性：

1、在不太高的温度下，贮氢量大，释氢量也大。

2、氢化物的生成热，一般在29～46kJ/mol(7～11Keal/克分子)氢之间。

3、成本低，原料来源广。

4、经多次吸、放氢，性能不衰减，即使有衰减，经再生处理后也能恢复到原来水平。

5、有较平坦和较宽的平衡压平台区，即大部分氢均可在一稳定的压力范围内放出。(6)容易活化，反应动力学性能好。(7)吸入、放出氢的压力差小等。

功能

金属贮氢材料是一种多功能的功能材料，下述功能，可供开发出多种高新技术产品。

释放化学能

它所放出的氢可供直接燃烧产物，或供其他所需部门使用，如半导体生产，燃氢汽车，燃料电池发电，氢能电动车等。

热功能

贮氢材料在吸、放氢过程中，同时有热量的放出和吸入，利用这一吸、放热的功能，可开发出热泵、贮热、回收热等节能设备。

压力和机械能

金属贮氢材料吸、放氢时，有一定平衡压，随温度的升高，其平衡压将迅速升高。如某些贮氢材料贮氢后的平衡压在100℃时达5～12MPa的压力。

电化学功能

贮氢材料本身具有一定的电化学催化功能，同时，所释放出的氢也极易转化成电能，因此可利用此功能开发二次电池。

细化功能

贮氢材料在多次吸、放循环后，将自粉碎成细粉，利用这一功能可制成超细粉末，如制备超细合金和金属粉末等，在技术上有很大潜力。

催化功能

贮氢材料在某些有机化学加氢以及合成氨工业中作为催化剂已显示出有独特作用，可望研制成低温低压合成氨催化剂。其他如分离氢的同位素功能，吸气功能，净化功能等尚有待进一步开发。

种类

主要有钛铁系，镧镍系，镁镍系和钛铬系等。

钛铁系

属AB型，A代表钛，B代表铁、钴、镍等，最常见的为钛铁贮氢材料，贮氢量可达占材料自重的1．75%～1．89%。最初有一活化的难题，在高真空条件下，加热到300～400℃才开始吸氢。中国科学家解决了这一难题，在室温条件下一般真空度就可开始吸氢。此材料原料来源广，成本低，有利于大量使用。德国研制的氢能汽车、美国研制的燃料电池电动车，就是以钛铁贮氢罐供氢的。

镧镍系

属AB5型，A代表镧及混合稀土系金属，B代表镍、钴等，贮氢量为1．4%～1．5%，它可在室温下活化，吸、放氢平衡压为O．1～0．5MPa(20～30℃)，放氢压力稳定。为降低成本，改善性能，现已广泛使用混合稀土金属或富镧混合稀土金属取代镧，也可以用铝、铁等取代部分镍。

镁镍系

属A2B型(。Mg2Ni)，是一种较早研制成的贮氢材料，贮氢量可达3．4%～6．O%，但放氢温度要求在250～320℃之间，限制了其应用。在贮存太阳能等技术中可发挥其优越性。

钛铬系

典型代表是Ticr2，属AB2型，进一步发展为TiZrCrMnVFe，德国HWT公司有商品贮氢罐出售，他们已制成可贮存2000m3的大型贮氢罐，经改性后这类贮氢材料还可满足不同用途的需要。

钒系

里鲍茨(libowitz)提出的体心立方型钒系贮氢材料，它的熵值高，可用于设计成高效热泵，是新一类贮氢合金系列。

应用

贮氢材料应用很广，而且仍在不断发展中。

制作镍氢电池

金属氢化物可再充式电池(简写为Ni—MH电池)是贮氢材料应用取得最显著实际成就的新领域，日本在1994年已生产AA型镍氢电池2亿支，我国在1994年生产AA型Ni—MH电池近100万支，生产Ni—MH电池用的贮氢材料近100t。

贮氢922和净化氢

贮氢材料贮氢后，其体积浓度大于液氢，几种贮氢材料贮氢后的浓度(每立方厘米中的氢原子数×1022)分别为：液氢(20K)4．2，FeTiH 1.7 6．O，LaNi5H 6.7 6.1，ZrH27.3，TiH29.2同时，贮氢后一般只有O．5～2．0MPa的压力，比高压钢瓶贮氢安全，比液氢也安全，成本低。贮氢材料贮氢后放出的氢，纯度可达99．9999%。

制造热泵

为回收各种热能和贮热。过去用贮氢材料二段式热泵一次升温，发展到三段式热泵二次升温，可使65～75℃的废热水产生蒸汽用于再发电。并可利用环境热、太阳能热源制成空调机和贮热，或用于化工厂、冶金厂、发电厂的废热回收。

制造压缩机和致冷器

用贮氢材料可制成静态氢压缩机和深冷致冷器。已制成的25K致冷器可用于空间探测、红外探测系统中的冷源，它只须以水为介质和以太阳能作低级能源即可工作。还可以制成77K。液氮致冷器。利用贮氢材料制成的压缩机可用于高压氢装瓶，还可利用太阳能制成海水淡化装置等。

用于氢同位素分离

利用一种或几种新型贮氢材料，可分离同位素氘、氚，以及贮存氘、氚，这在军事工业中有很重要的作用。

用作催化剂

贮氢材料用作催化剂早有报导，如LaNis、TiFe等用于常温低压合成氨工艺以及某些有机化合物加氢工艺。

用作温度传感器

利用上述贮氢材料产生压力的功能以及不同贮氢材料的P—c一T曲线的不同数值，将一小型贮氢器上的压力表改成温度指示盘，经校正后即成温度指示器。它体积小，不怕震动，美国SystemDonier公司生产的这种温度指示器，广泛用于各种喷气飞机上。它还可以改制成火警报警器和窗户自动开闭器等。

作机器人的动力装置

也是利用贮氢材料的压力和机械能功能，某些贮氢材料加热到100℃即可达到6～13MPa的压力，则可用于机器人动力系统的激发器、动力源。其特点是没有旋转部件反应灵敏，便于控制，反弹和振动小。

用作吸气剂

由于某些贮氢合金有较强的吸气能力，特别对氢、COz、CO、水分、甲烷均有一定吸附能力，因此可作为吸气剂，以保持各种真空器件长时间的高真空，在技术上有重要作用。

发展电动车

电动汽车的关键技术是可移动式高效高密度蓄电池。可充式二次电池有多种多样，其中能量密度最高、寿命最长、成本最低、功率密度最大者首推带有高效供氢系统的质子交换膜式燃料电池，这种供氢系统就是由贮氢材料制成的贮氢罐。在21世纪初，这种清洁的电动车，将是城市交通的必然发展趋势，需求量将是极大的。

发展趋势

贮氢材料正向多元化，高容量，低成本方向发展，向复合材料过渡，正在采用新技术。例如有报道说经磁性技术搅拌贮氢量可大大提高。在改善贮氢材料的性能方面的技术还有：(1)表面微包覆技术；(2)表面化学处理技术；(3)薄膜技术，即将贮氢材料制成薄膜；(4)贮氢材料的浆料技术，即利用某些有机液体与贮氢材料混成均匀浆料，有利于改善贮氢材料的导热性能及流动性。

其他制备贮氢材料的新工艺有采用铝热还原法及自蔓延高温合成技术从钛铁矿、钒铁矿直接还原成贮氢材料，还有回收和再生贮氢材料的技术等。

二、化学能产生什么能量

火焰中心到火焰外焰边界的范围内是气态可燃物或者是汽化了的可燃物，它们正在和助燃物发生剧烈或比较剧烈的氧化反应。

在气态分子结合的过程中释放出不同频率的能量波，因而在介质中发出不同颜色的光。例如，在空气中刚刚点燃的火柴，其火焰内部就是火柴头上的氯酸钾分解放出的硫，在高温下离解成为气态硫分子，与空气中的氧气分子剧烈反应而放出光。外焰反应剧烈，故温度高。

火是物质分子分裂后重组到低能分子中分离、碰撞、结合时释放的能量。火内粒子是高速运动的——高温高压就是这个目的。

火焰内部其实就是不停被激发而游动的气态分子。它们正在寻找“伙伴”进行反应并放出光和能量。而所放出的光，让我们看到了火焰。

烟花的颜色为什么是五颜六色的呢？这是由于不同金属灼烧，发生焰色反应颜色不同造成的。烟花是利用各种金属粉末在高热中燃烧而构成各种夺目的色彩。使用不同金属就能产生不同效果，发出不同颜色的光芒。

发光剂是金属镁或金属铝的粉末。当这些金属燃烧时，会发出白炽的强光。

氯化钠和硫酸钠都属于钠的化合物，它们在燃烧时便会发出金黄色火焰。

硝酸钙和碳酸钙在燃烧时会发出砖红色火焰。

在化学试验中，我们常常会运用以上结果来测试物质中所含的金属。这类型的实验称为焰色试验。烟花便是利用金属的这种特性制成的。制作烟花的人经过巧妙的排列，决定燃烧的先后次序。这样，烟花引爆后，便能在漆黑的天空中绽放出鲜艳夺目、五彩缤纷的图案了。

三、现在粉末冶金发展怎样

我国近十年来粉末冶金技术发展概况：

粉末冶金是一项集材料制备与零件成形于一体，节能、节材、高效、最终成形、少污染的先进制造技术，在材料和零件制造业中具有不可替代的地位和作用，已经进入当代材料科学的发展前沿。目前粉末冶金技术正向着高致密化、高性能化、低成本方向发展

近十年来粉末冶金零件的成形新技术：一、温压技术温压技术是粉末冶金领域近几年发展起来的一项新技术，可生产出高密度、高强度，具有非常广泛的应用前景。所谓温压技术就是采用特

制的粉末加温、粉末输送和模具加热系统，将加有特殊润滑剂的预合金粉末和模具等加热至130～150℃，并将温度波动控制在±2．5℃以内，然后和传统粉末冶金工艺一样进行压制、烧结而制得粉末冶金零件的技术。其技术关键：一是温压粉末制备，二是温压系统。与传统工艺相比，温压成形的压坯密度约有0.15～0.30g／cm3的增幅，其密度可达7.45g／cm3。在相同的压制压力下，温压材料的屈服强度比传统工艺平均高11％，极限拉伸强度平均高13．5％，冲击韧性可提高33％。另外，温压零件的生坯强度高，可达2O～30MPa，比传统方法提高50—100％，不仅降低生坯搬运过程中的破损率而且能对生坯进行机加工，表面光洁度好。此外，温压工艺的压制压力低和脱模力小，同时零件性能均一，产品精度高，材料利用率高。温压工艺还有一个特点是工艺简单，成本低廉。研究表明，假如一次压制、烧结的普通粉末冶金工艺的成本为1.0，则粉末锻造的相对成

本为2.0，复压复烧的相对成本为1.5，渗铜的相对成本为1.4，而温压技术的相对成本为1．25。目前，采用温压技术生产的粉末冶金零件已达200多种，零件重量在5—1200g。例如，德国SinterstahlGmbH公司用温压技术生产复杂的摩擦传动用同步齿环，在美国新奥尔兰举行的PM2TEC2001国际会议上获奖。该零件的齿部密度超过7.3g／cm，环体密度超过7.1g／cm，生坯强度达到28MPa。采用了扩散合金化的烧结硬压粉末，最低抗拉强度为850MPa。由于使用了温压技术和采用粉末冶金零件，使得综合成本降低了38％。

二、流动温压技术

流动温压粉末冶金技术(Warm Flow Compaction，简称WFC)是在粉末压制、温压成形工艺的基础上，结合了金属粉末注射成形工艺的优点而提出来的一种新型粉末冶金零部件近净成形技术。其关键技术是提高混合粉末的流动性。它通过提高了混合粉末的流动性、填充能力和成形性，从而可以在8O～130~C温度下，在传统压机上精密成形具有复杂几何外形的零件，如带有与压制方向垂直的凹槽、孔和螺纹孔等零件，而不需要其后的二次机加工。WFC技术既克服了传统粉末冶金在成形复杂几何形状方面的不足，又避免了金属注射成形技术的高成本，是一项极具潜力的新技术，具有非常广阔的应用前景。WFC技术作为一种新型的粉末冶金零部件近净成形技术，其主要特点如下：(1)可成形具有复杂几何形状的零件；(2)压坯密度高、密度均匀；(3)对材料的适应性较好；(4)工艺简单，成本低。目前，WFC技术在国外还处于研究的初始阶段，其关键制造技术及其致密化机理研究尚未见报道。传统粉末零件成形时，为了减少粉末颗粒之问和粉末颗粒与模壁之间的摩擦，在粉末混合料中需添加一定量的润滑剂，但混进的润滑剂因密度低不利于获得高密度的粉末冶金零件；而且润滑剂的烧结会染环境，甚至会降低烧结炉的寿命和产品的性能。模壁润滑技术的应用则很好地解决了这一难题。近年来，采用模壁润滑取代粉末润滑技术已成为粉末成形研究和开发的又一热点。

目前，实现模壁润滑的主要途径有两个：一是利用下模冲复位时与阴模及芯杆之间的配合间隙所产生的毛细作用，将液相润滑剂带到阴模及芯杆表面。二是用喷枪将带有静电的固态润滑剂粉末喷射到压模的型腔表面上，即在装粉靴的前部装一个附加的润滑剂靴装置。成形开始时，润滑剂靴推开压坯，压缩空气将带有静电的润滑剂从靴内喷射到模腔内，因为润滑剂粉末所带的极性与阴模相反，粉末在电场牵引下撞击并粘附在模壁上，然后装靴粉装粉，进行常规压制成形。采用模壁润滑技术明显提高粉末材料的生坯密度，密度可达到7.4g／cm3，且模壁润滑与粉间润滑相比，铁粉的生坯强度可分别提高128—217％。日本丰田汽车中心研究人员利用温压、模壁润滑与高压制压力使铁基粉末压坯几乎达到全致密。

四、高速压制技术

高速压制技术(Hjgh Velocity Compaction，简称HVC)是瑞典的Hoaganas公司在2001年6月推介的一种新技术。高速压制生产零件的过程和传统的压制过程工序相同。混合粉末加进送料斗中，粉末通过送粉靴自动填充模腔压制成形，之后零件被顶出并转入烧结工序。所不同的是高速压制的压制速度比传统压制高500—1000倍，压机锤头速度高达2—30m／s，液压驱动的锤头重达5—1200Kg，粉末在0.02s之内通过高能量冲击进行压制，压制时产生强烈的冲击波。通过附加间隔0.3s的多重冲击能达到更高的密度。HVC技术具有高密度、高性能、低成本、高生产率和可成形大零件的特点。

该技术适用于制备阀门、简单齿轮、气门导筒、主轴承盖、轮毂、齿轮、法兰、轴套宇轴承套圈和凸轮凸角机构等产品。目前正在继续研究生产更复杂的多级部件。

五、动磁压制技术

动力磁性压制技术(dynamic magnetic cornpaction，简称DMC)是1995年美国开始研究的一种新型的高性能粉末最终成形压制技术。DMC是采用脉冲调制电磁场施加的压力来固结粉末。与传统的粉末冶金压制工艺一样，动力磁性压制也是两维压制工艺，但却是径向压制而不是轴向压制。当粉末装入～个导电的容器(护套)内，置于高场强的中心腔中，线圈通入高电流脉冲，线圈中形成磁场，护套内因而产生感应电流。感应电流与施加的磁场相互作用，产生由外向内压缩护套的磁力，使粉末得到压制，整个压制过程时间不足1ms。DMC具有以下特点：(1)由于不使用模具，因而可达到更高的压制力，维修与生产成本更低；(2)在任何温度与气氛中均可施加压力，且适合所有材料，工作条件更灵活；(3)不使用润滑剂与粘结剂，有利于环境保护。目前，许多动磁压制的应用已接近工业化阶段。DMC适于制造柱形对称的终形件，薄壁管，高纵横比部件和内部形状复杂的部件。现可以生产直径×长度：12.7mm×76.2mm到127.0mm×25.4mm的部件。第一台工业型SPS装置，该技术才真正引起世人的关注。该技术集粉末成形和烧结于一体，不需要预先成形，也不需要任何添加剂和粘结剂。主要是利用外加脉冲强电流形成的电场清除粉末颗粒表面氧化物和吸附的气体，净化材料，活化粉末表面，提高粉末表面的扩散能力，再在较低机械压力下利用强电流短时加热粉体进行烧结致密。_有关研究表明，该技术由于场活化等作用在较大程度上降低了粉体的烧结温度，缩短了烧结时间，并充分利用了粉末自身发热的作用，热效率极高，加热均匀，可通过一次成形获得高精度、均质、致密、含氧量低和

晶粒组织细小的零件。

目前，SPS研究对象主要集中于陶瓷、金属陶瓷、金属间化合物、复合材料、纳米材料以及功能材料等。在制备和成形非晶合金、形状记忆合金、金刚石等材料方面也作了不少尝试，并取得了较好的结果。

七、爆炸压制技术参考文献：

爆炸压制(Explosive Compaction)又称冲击波压制，是利用化学能的一种高能成形方法。它通常将金属粉末材料置于具有一定结构的模具中施加爆炸压力，爆炸物质的化学能在极短的时间内转化为周围介质中的高压冲击波，并以脉冲波的形式作用粉末，使其获得高密度。作用时间仅为1O一100us，粉末成形为1ms左右。爆炸压制方法是一种独特的加工方法，可使松散材料达到理论密度。能将不适合传统压力加工的材料制造成零件，可使传统的不可压缩的金属陶瓷材料、低延性金属等压制成复合材料，典型的应用是将高温合金粉末用于成形飞机发动机的耐高温零件。

结束语

粉末冶金是一门重要的零件成形技术。粉末冶金新技术、新工艺的不断出现，必将促进高技术产业的快速发展，也必将带给材料工程和制造技术光明的前景。目前，我国粉末冶金行业整体技术水平低下、工艺装备落后，与国外先进技术水平相比存在较大差距。因此，大力发展粉末冶金新技术的研究，对提高我国粉末冶金产品的档次和技术水平，缩短与国外先进水平的差距具有非常重要的意义。