1、0:04:421“863”计划：把新型材料定为我国高新技术规划的7个主要研究领域之一“973计划”：进一步把功能材料技术作为重点的研究项目。0:04:432 本章介绍目前国内外迅速发展的各种新型功能材料的组成、结构、性能、制备和应用，着重论述反映当代功能材料科学发展的主要前沿领域。如：智能材料、形状记忆材料、梯度功能材料、储氢材料、功能陶瓷材料、超导材料、磁性材料、信息材料、光学功能材料、功能复合材料、生物医用材料等。0:04:4330:04:434第一节第一节 功能材料概论功能材料概论主要内容功能材料发展和分类加快发展高技术新材料的建议0:04:4350:04:4360:04:437功能材料
2、就是在这一前提下发展起来的。而新型功能材料是指新近发展起来和正在发展中的具有优异性能和特殊功能，对科学技术尤其是对高技术的发展及新产业的形成具有决定意义的新材料。0:04:448日本和欧美各国对日本和欧美各国对新型功能材料新型功能材料的研究十分的研究十分注意，这是因为功能材料是能源、计算机、通讯、注意，这是因为功能材料是能源、计算机、通讯、电子、激光等现代科学的基础，功能材料在未来电子、激光等现代科学的基础，功能材料在未来的社会发展中具有重大战略意义。的社会发展中具有重大战略意义。0:04:449 近近10年来，功能材料成为材料科学和工程领年来，功能材料成为材料科学和工程领域中最为活跃的部分。
3、每年以域中最为活跃的部分。每年以5以上的速度增以上的速度增长，相当于每年有长，相当于每年有1.25万种新材料问世。未来世万种新材料问世。未来世界需要更多的性能优异的功能材料，功能材料正界需要更多的性能优异的功能材料，功能材料正在渗透到现代生活的各个领域。在渗透到现代生活的各个领域。0:04:4410一、功能材料概况一、功能材料概况材料材料结构材料结构材料（structural materials)功能材料功能材料(functional materials)按性质和实际应用按性质和实际应用 功能材料发展和分类功能材料发展和分类结构材料 利用某些材料具有抵抗外力的作用而保持自己形状和结构不变的优良
4、力学性能（例如强度和韧性）来制造工具、机械、车辆以及修建房屋、桥梁、铁路等，这些材料统称为结构材料。0:04:4411功能材料 这类材料相对于通常的这类材料相对于通常的而言，一般除了具有而言，一般除了具有机械特性外，还具有其他的功能特性。机械特性外，还具有其他的功能特性。功能材料是指通过功能材料是指通过等作等作用后具有用后具有的材料。在国外，常将这类材料称的材料。在国外，常将这类材料称为为(Functional Materials)、(Speciality Materials)或或(Fine Materials)。0:04:4412（1 1）功能材料的功能对应于材料的微观结构和微）功能材料的功
5、能对应于材料的微观结构和微观物体的运动，这是最本质的特征。观物体的运动，这是最本质的特征。（2 2）功能材料的凝聚态和形态非常多样化，除了）功能材料的凝聚态和形态非常多样化，除了晶态外，还有气态、液态、液晶态、非晶态、准晶态外，还有气态、液态、液晶态、非晶态、准晶态、混合态和等离子体态等。除了三维体相材晶态、混合态和等离子体态等。除了三维体相材料外，还有二维、一维和零维材料。料外，还有二维、一维和零维材料。（3 3）结构材料常以材料形式为最终产品，而功能）结构材料常以材料形式为最终产品，而功能材料有相当一部分是以元器件形式为最终产品，材料有相当一部分是以元器件形式为最终产品，集材料元件一体化。
6、集材料元件一体化。0:04:4413（4 4）功能材料是利用现代化的技术，多学科交叉）功能材料是利用现代化的技术，多学科交叉的知识密集型产物。的知识密集型产物。（5 5）功能材料的制备技术不同于结构材料的传统）功能材料的制备技术不同于结构材料的传统技术，而是采用许多先进的新工艺和新技术，如技术，而是采用许多先进的新工艺和新技术，如急冷、超净、超微、超纯、薄膜化、集成化、微急冷、超净、超微、超纯、薄膜化、集成化、微型化、密集化、智能化以及精细控制和检测技术。型化、密集化、智能化以及精细控制和检测技术。0:04:441420世纪60年代：微电子工业促进了半导体材料的迅速发展。70年代：“能源危机”
7、促使各国开发新能源和研制储能材料。激光技术的出现，促进了光学材料、光电子材料的发展。80年代：以高技术为中心的新技术革命，在欧美和日本等国兴起，并迅速波动世界各国。新技术革命的主要标志：新型材料、信息技术、生物工程技术。0:04:4415发发 展展1.根据材料的物质性进行分类（1）金属功能材料（2）无机非金属材料（3）复合功能材料（4）有机功能材料0:04:4516a.磁性合金b.电性合金：超导材料c.形状记忆合金:合金在低温下被施加应力产生变形，应力去除后形变保留，但加热会逐渐消除形变，并回复原来形状。0:04:4517反磁性材料：在磁场中不被吸引顺磁性材料：在磁场中被微弱吸引铁磁性材料：在
8、磁场中个被强烈吸引d.医用金属材料0:04:45180:04:4519无机非金属材料无机非金属材料 传统非金属材料传统非金属材料(硅酸盐材料硅酸盐材料)新型非金属材料新型非金属材料 0:04:46200:04:46210:04:46220:04:46230:04:47240:04:4725古埃及玻璃制品古埃及玻璃制品战国中晚期玻璃璧战国中晚期玻璃璧0:04:47260:04:4727玻璃仪器玻璃仪器钢化玻璃几种常见玻璃简介几种常见玻璃简介普通玻璃普通玻璃因混有铁的化合物显浅绿色因混有铁的化合物显浅绿色蓝玻璃蓝玻璃红玻璃红玻璃化学仪器玻璃化学仪器玻璃如试管等如试管等光学仪器玻璃光学仪器玻璃如放大
9、镜如放大镜钢化玻璃钢化玻璃光纤玻璃光纤玻璃光导纤维光导纤维：1964年年8月华裔月华裔科学家高锟首先提出用玻科学家高锟首先提出用玻璃纤维代替金属导线，被璃纤维代替金属导线，被誉为誉为“纤维光学之父纤维光学之父”。比头发丝还细的一对光导比头发丝还细的一对光导纤维上同时传送纤维上同时传送3万门电话万门电话且中继距离长达且中继距离长达2050Km，保密性能好。，保密性能好。在原料里加入某些金属氧化在原料里加入某些金属氧化物均匀地分散到玻璃态物质里，物均匀地分散到玻璃态物质里，使玻璃呈现出特征颜色。使玻璃呈现出特征颜色。把普通玻璃放在把普通玻璃放在电炉里加热，使它软电炉里加热，使它软化，然后急速冷却，
10、化，然后急速冷却，得到钢化玻璃。其机得到钢化玻璃。其机械强度比普通玻璃大械强度比普通玻璃大46倍，不易破碎。倍，不易破碎。0:04:4828c c、陶瓷、陶瓷 1 1）主要原料：）主要原料：2 2）优点：）优点：3 3）用途：）用途：粘土粘土0:04:4829景德镇传统名瓷之一的薄胎瓷0:04:4830景德镇传统名瓷之一的雕塑瓷景德镇传统名瓷之一的粉彩瓷0:04:4831陶瓷坩埚 陶瓷电子部件0:04:4832特性：1）能承受高温，强度高2）具有电学特性3）具有光学特性4）具有生物功能 0:04:4833典型的新型无机非金属材料典型的新型无机非金属材料高温结构高温结构陶瓷陶瓷光导纤维光导纤维（
11、光纤）（光纤）0:04:48340:04:4835透明、耐高温高压钠灯灯管透明、耐高温高压钠灯灯管a.氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷(人造刚玉人造刚玉)0:04:4836高温炉管高温炉管0:04:4837人造心瓣膜人造心瓣膜人造骨人造骨人造牙人造牙人造髋关节人造髋关节0:04:4838氮化硅陶瓷发动机氮化硅陶瓷发动机b.氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷0:04:48390:04:4840陶瓷柴油机陶瓷柴油机0:04:4841航天飞机的机头温航天飞机的机头温度度2760 C，通常，通常采用采用SiC、Si 3N4复复合材料合材料0:04:4942 简称简称“光纤光纤”，又称，又称“导光纤维导光纤维”“”“光学纤光学纤
12、维维”，是一种利用，是一种利用光的全光的全反射反射作用来传导光线的透作用来传导光线的透明度极高的明度极高的玻璃细丝玻璃细丝。如。如果将许多根经过技术处理果将许多根经过技术处理的光纤绕在一起，就得到的光纤绕在一起，就得到我们常说的光缆。我们常说的光缆。光导纤维光导纤维0:04:49430:04:49440:04:4945光光 纤纤 光光 缆缆 普普 通通 电电 缆缆 信息量大信息量大,每根光纤理论上可同时每根光纤理论上可同时通过通过1010亿路电话亿路电话 8 8管同轴电缆每条管同轴电缆每条通话通话18001800路路 原料来源广原料来源广(石英玻璃石英玻璃),),节约有色节约有色金属金属 资源
13、较少资源较少 质量小质量小,每公里每公里27 27 g,g,不怕腐蚀不怕腐蚀,铺铺设方便设方便 每公里每公里1.6 1.6 t t 成本低成本低,每公里每公里1 1万元左右万元左右 每公里每公里2020万元万元 性能好性能好,抗电磁干扰保密性强抗电磁干扰保密性强,能能防窃听防窃听,不发生电辐射不发生电辐射 光缆较普通电缆有何有哪些优点呢？光缆较普通电缆有何有哪些优点呢？46*独特光学设计比最好的卤独特光学设计比最好的卤素灯系统还要多输出至素灯系统还要多输出至 少少30%光强度；光强度；*105广角投射可减少扭广角投射可减少扭动照明器次数；动照明器次数；*微小型的照明器，最少干微小型的照明器，最
14、少干扰手术视野，真正视觉线扰手术视野，真正视觉线 光线同轴照明；光线同轴照明；*高度聚焦的点光源提供极高度聚焦的点光源提供极其明亮的深部和细节照其明亮的深部和细节照明。明。医疗医疗光导纤维手术头灯光导纤维手术头灯0:04:4947内窥镜内窥镜0:04:494849用途用途复合结构材料复合结构材料复合功能材料复合功能材料 以其力学性能如强度、刚度、以其力学性能如强度、刚度、形变等特性为工程所应用，主要形变等特性为工程所应用，主要用于结构承力或维持结构外形。用于结构承力或维持结构外形。以其声、光、电、热、磁等物理特性为以其声、光、电、热、磁等物理特性为工程所应用，用于如绝热、透波、耐腐蚀、工程所应
15、用，用于如绝热、透波、耐腐蚀、耐磨、减振或热变形等热、声、光、电、磁耐磨、减振或热变形等热、声、光、电、磁的功能要求。的功能要求。0:04:4950组成组成基体材料基体材料(连续相连续相)功能体功能体(分散相分散相)粘结、保护纤维作粘结、保护纤维作用，某些情况下也用，某些情况下也起功能作用。起功能作用。复合材料的功能特性主要由功复合材料的功能特性主要由功能体贡献，加入不同特性的功能体能体贡献，加入不同特性的功能体可得到特性各异的功能复合材料。可得到特性各异的功能复合材料。0:04:5051 单一功能复合材料中其功能性单一功能复合材料中其功能性质虽然由功能体提供，但基体不仅质虽然由功能体提供，但
16、基体不仅起到粘结和赋形作用，同时也会对起到粘结和赋形作用，同时也会对复合材料整体的物理性能有影响。复合材料整体的物理性能有影响。多元功能体的复合材料可以具多元功能体的复合材料可以具有多种功能，同时还有可能由于产有多种功能，同时还有可能由于产生复合效应而出现新的功能。生复合效应而出现新的功能。0:04:5052(1)应用面宽。根据需要可设计与制备出不同功能的复合应用面宽。根据需要可设计与制备出不同功能的复合 材料，以满足现代科学技术发展的需求。材料，以满足现代科学技术发展的需求。(2)研制周期短。研制周期短。一种结构材料从研究到应用，一般需要一种结构材料从研究到应用，一般需要10-15 年左石，
17、甚至更长，而功能复合材料的研制周年左石，甚至更长，而功能复合材料的研制周 期要短得多。期要短得多。(3)附加值高。单位质量的价格与利润远远高于结构复合材料附加值高。单位质量的价格与利润远远高于结构复合材料(4)小批量，多品种。功能复合材料很少有大批量，小批量，多品种。功能复合材料很少有大批量，但品种但品种 需求多。需求多。(5)适于特殊用途。在不少场合，功能复合材料有着其他材料适于特殊用途。在不少场合，功能复合材料有着其他材料 无法比拟的使用特性。无法比拟的使用特性。0:04:500:04:5053（1）电学功能材料（2）磁学功能材料（3）光学功能材料（4）声学功能材料（5）力学功能材料（6）
18、热学功能材料（7）化学功能材料（8）生物医学功能材料（9）核功能材料0:04:5054非线性光学材料非线性光学材料发光材料发光材料红外光学材料红外光学材料感光材料感光材料激光材料激光材料光电功能材料光电功能材料声光功能材料声光功能材料磁光材料磁光材料光记录材料光记录材料（1）信息材料（2）电子材料（3）电工材料（4）电讯材料（5）计算机材料（6）传感材料（7）仪器仪表材料（8）能源材料（9）航空航天材料（10）生物医用材料0:04:5055新型功能材料是指新近发展起来和正在发展中的具有优异性能和特殊功能，对科学技术尤其是对高技术的发展及新产业额形成具有决定意义的新材料。0:04:51561.光
19、电子信息材料2.功能陶瓷材料3.生物医用材料4.能源材料5.生态环境材料6.智能材料0:04:5157医用金属和合金医用生物陶瓷医用高分子材料医用复合生物材料一.大力发展新材料1.加快发展电子信息材料2.注重发展高性能的结构材料3.努力发展新能源材料和节能材料二.加强科技创新能力三.加速新材料研究成果向现实生产力的转化四.加强国际交流和合作0:04:51580:04:5259化石能源的有限性与人类需求的无化石能源的有限性与人类需求的无限性限性石油、煤炭等主要能源将在未来数十年至石油、煤炭等主要能源将在未来数十年至数百年内枯竭数百年内枯竭！化石能源的使用正在给地球造成巨化石能源的使用正在给地球造
20、成巨大的生态灾难大的生态灾难温室效应、酸雨等严重威胁温室效应、酸雨等严重威胁地球动植物的生存！地球动植物的生存！人类的出路何在？人类的出路何在？新能源研究势在必新能源研究势在必行！行！0:04:5260 氢氢 二十一世纪的绿色能源二十一世纪的绿色能源0:04:5361氢能热值高氢能热值高，如燃烧，如燃烧1kg氢可发热氢可发热1.4105kJ，相当于，相当于3kg汽油或汽油或4.5kg焦炭的发热量；焦炭的发热量；资源丰富资源丰富，地球表面有丰富的水资源，水中含氢量达到，地球表面有丰富的水资源，水中含氢量达到11.1；资源无穷无尽资源无穷无尽不存在枯竭问题不存在枯竭问题干净、清洁干净、清洁，燃烧后
21、生成水，不产生二次污染；，燃烧后生成水，不产生二次污染；应用范围广，适应性强应用范围广，适应性强，可作为燃料电池发电，也可用于，可作为燃料电池发电，也可用于氢能汽车、化学热泵等。氢能汽车、化学热泵等。氢能的利用途径多氢能的利用途径多燃烧放热或电化学发电燃烧放热或电化学发电 氢的储运方式多氢的储运方式多气体、液体、固体或化合物气体、液体、固体或化合物0:04:5362氢能的开发利用已成为世界特别关注的科氢能的开发利用已成为世界特别关注的科技领域。技领域。0:04:5363储 氢 材 料0:04:5364+氢能利用关键是高密度安全储存和运输技术氢能利用关键是高密度安全储存和运输技术。+氢密度很小，
22、单位重量体积很大。目前市售氢气一氢密度很小，单位重量体积很大。目前市售氢气一般是在般是在150个大气压下储存在钢瓶内，氢气重量不到个大气压下储存在钢瓶内，氢气重量不到钢瓶重量的钢瓶重量的1/100，且有爆炸危险，很不方便。，且有爆炸危险，很不方便。+氢能的存储是氢能利用的前提，进入氢能的存储是氢能利用的前提，进入20世纪世纪90年代年代以来，许多国家对储氢技术的研究极为重视。以来，许多国家对储氢技术的研究极为重视。+美国能源部在全部氢能研究经费中，美国能源部在全部氢能研究经费中，50%用于氢能用于氢能存储。存储。+日本已将储氢材料的开发和利用技术列入日本已将储氢材料的开发和利用技术列入1993
23、2020年的年的“新阳光计划新阳光计划”。其中氢能发电技术（高效分。其中氢能发电技术（高效分解水技术、储氢技术、氢燃料电池发电技术）一次解水技术、储氢技术、氢燃料电池发电技术）一次投资就达投资就达30亿美元。亿美元。0:04:53650:04:53661.1.气态储氢：气态储氢：1)1)能量密度低能量密度低2)2)不太安全不太安全2.2.液化储氢：液化储氢：1)1)能耗高能耗高2)2)对储罐绝热性能要求高对储罐绝热性能要求高0:04:56673.3.固态储氢固态储氢（用（用储氢材料储氢储氢材料储氢）优势：优势：1)1)体积储氢容量高体积储氢容量高2)2)无需高压及隔热容器无需高压及隔热容器3)
24、3)安全性好，无爆炸危险安全性好，无爆炸危险4)4)可得到高纯氢，提高氢的附加值可得到高纯氢，提高氢的附加值0:04:56680:04:5669物理法：储氢物质与氢分子之间只有纯粹物理法：储氢物质与氢分子之间只有纯粹的物理作用或物理吸附。（活性炭法、高的物理作用或物理吸附。（活性炭法、高压压缩储氢、深冷液化储氢等）压压缩储氢、深冷液化储氢等）化学法：储氢物质和氢分子之间发生化学反化学法：储氢物质和氢分子之间发生化学反应，生成新的合成物，具有吸收或释放氢的应，生成新的合成物，具有吸收或释放氢的特性。无机化合物储氢、有机液体氢化物储特性。无机化合物储氢、有机液体氢化物储氢、合金化合物储氢等）氢、合
25、金化合物储氢等）为解决氢的储存和运输问题，人们研发了相应的储为解决氢的储存和运输问题，人们研发了相应的储氢材料，主要介绍氢材料，主要介绍活性炭、无机化合物、有机化合活性炭、无机化合物、有机化合物以及合金化合物等储氢材料物以及合金化合物等储氢材料。0:04:5770常用高压氢气瓶常用高压氢气瓶活性炭比表面积可达活性炭比表面积可达2000m2/g以上，低温加压可以上，低温加压可吸附储氢。活性炭吸附储氢。活性炭原料易得，吸附储氢和放氢操原料易得，吸附储氢和放氢操作都比较简单作都比较简单。0:04:57711985年，美国科学家克劳特和斯莫利等用激光束去轰击年，美国科学家克劳特和斯莫利等用激光束去轰击
26、石墨表面，发现了石墨表面，发现了C60。C60的外形像足球，中心是空的，外边围砌着的外形像足球，中心是空的，外边围砌着60个碳原子，个碳原子，它们组成了它们组成了12个五边形和个五边形和20个正六边形。碳个正六边形。碳60有一个别有一个别名：巴基球。一个巴基球的直径是名：巴基球。一个巴基球的直径是0.7纳米。纳米。巴基球可以做得更大，再增加巴基球可以做得更大，再增加10个碳原子，还可以做成个碳原子，还可以做成碳碳70。如果用。如果用960个碳原子制成碳个碳原子制成碳540，有可能在室温，有可能在室温条件下实现超导！条件下实现超导！0:04:5772碳纳米管是由石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的
27、碳纳米管是由石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状笼状“纤维纤维“，内部是空的，外部直径只有几到几十，内部是空的，外部直径只有几到几十纳米。其比重为钢的六分之一，强度是钢的纳米。其比重为钢的六分之一，强度是钢的100100倍。倍。碳纳米管是极好的储氢材料，在未来的以氢为动力的碳纳米管是极好的储氢材料，在未来的以氢为动力的汽车上将得到应用。汽车上将得到应用。诺贝尔化学奖得主诺贝尔化学奖得主斯莫利斯莫利教授认为，纳米碳管将是未教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，将被广泛用于超微导线、超来最佳纤维的首选材料，将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。微开关以及纳米级电子线路等。0
28、:04:5873富勒烯富勒烯(C60)和碳纳米管和碳纳米管(CNT)对氢气具有较强的吸对氢气具有较强的吸附作用。附作用。单层碳纳米管的吸氢量比活性炭高，单层碳纳米管的吸氢量比活性炭高，H2的的吸附量可达吸附量可达5-10(质量分数质量分数)，有望成为新一代，有望成为新一代储氢材料储氢材料。0:04:5874富勒烯富勒烯C60碳纳迷管碳纳迷管0:04:5875 0:04:5876 1.纯化处理后多壁纳米碳管最大放电容量为纯化处理后多壁纳米碳管最大放电容量为 1157mAh/g，相当于，相当于4.1重量储氢容量。重量储氢容量。经过经过100次充放电后，其仍保持最大容量的次充放电后，其仍保持最大容量
29、的70。2.单壁纳米碳管最大放电容量为单壁纳米碳管最大放电容量为503mAh/g，相当于相当于1.84重量储氢容量。经过重量储氢容量。经过100次充次充放电后，其仍保持最大容量的放电后，其仍保持最大容量的80。世界范围内所测储氢量相差太大：世界范围内所测储氢量相差太大：0.01(wt)%0.01(wt)%67 67(wt)%,(wt)%,如何准确测定？如何准确测定？储氢机理如何？储氢机理如何？0:04:5977某些无机化合物和氢气发生化学反应可储氢，然后某些无机化合物和氢气发生化学反应可储氢，然后在一定条件下分解可放氢。在一定条件下分解可放氢。利用利用碳酸氢盐与甲酸盐之间相互转化碳酸氢盐与甲酸
30、盐之间相互转化，吸氢和放氢，吸氢和放氢反应为：反应为：以活性炭作载体，在以活性炭作载体，在Pd或或PdO的催化作用下，以的催化作用下，以KHCO3或或NaHCO3作为储氢剂，储氢量约为作为储氢剂，储氢量约为2(质质量分数量分数)。该法优点是原料易得、储存方便、安全性好，但储该法优点是原料易得、储存方便、安全性好，但储氢量比较小，催化剂价格较贵。氢量比较小，催化剂价格较贵。0:04:5978释氢，70，0.1MPa吸氢，35，2.0MPaOHHCO2223HHCO 借助储氢载体借助储氢载体(如苯和甲苯等如苯和甲苯等)与与H2的可逆反应来实现，的可逆反应来实现，包括催化加氢反应和催化脱氢反应。包括
31、催化加氢反应和催化脱氢反应。该法储氢量大，该法储氢量大，环己烷和甲基环己烷的理论储氢量分别环己烷和甲基环己烷的理论储氢量分别为为7.19和和6.18(质量分数质量分数)，比高压储氢和金属氢化物，比高压储氢和金属氢化物储氢的实际量都大。储氢的实际量都大。储氢载体苯和甲苯可循环使用，其储氢载体苯和甲苯可循环使用，其储存和运输都很安全方便。储存和运输都很安全方便。催化加氢和催化脱氢装置和投资费用较大，储氢操作比催化加氢和催化脱氢装置和投资费用较大，储氢操作比较复杂。较复杂。0:04:5979其中R=H、CH4H2，供用户使用H2，制氢工厂储存、运输储存、运输催化脱氢催化加氢RHC56RHC116RH
32、C116RHC56+在一定温度和氢气压力下能多次吸收、储存和释放在一定温度和氢气压力下能多次吸收、储存和释放氢气的合金被称为氢气的合金被称为储氢合金储氢合金。+氢于许多金属、合金或金属间化合物反应生成金属氢于许多金属、合金或金属间化合物反应生成金属氢化物，并释放出热量；金属氢化物受热时，又释氢化物，并释放出热量；金属氢化物受热时，又释放出氢气，用反应式表示为：放出氢气，用反应式表示为：+M:金属、合金、或金属间化合物金属、合金、或金属间化合物+H：反应热反应热+P1、T1：吸氢是体系需要的压强和温度：吸氢是体系需要的压强和温度+P2、T2：释放氢时体系需要的压强和温度：释放氢时体系需要的压强和
33、温度0:04:5980氢原子容易进入金属晶格的四面体或八面体间隙，氢原子容易进入金属晶格的四面体或八面体间隙，形成金属氢化物，如形成金属氢化物，如TiH2、ZrH1.9、PrH2.8、Ti1.4CoH、LaNi5H、MmNi4.5H6.6等。等。0:04:5981a ab b氢原子在合金化合物中的占位：氢原子在合金化合物中的占位：(a)四面体；四面体；(b)八面体八面体实验表明，单独使用一种金属形成的氢化物生成热较大，氢的离解压低，储氢不理想。实用的储氢材料是由氢化物生成热金属和生成热为负的放热性金属组成多元金属间化合物，其中有的过渡金属元素对氢化反应时氢分子分解为氢原子的过程起着重要的催化作
34、用。0:04:5982储氢合金储氢合金可储存比其体积大可储存比其体积大1000-1300倍的氢倍的氢，而且，而且合金中存储的氢表现为合金中存储的氢表现为H与与H+之间的中间特性，结之间的中间特性，结合力较弱，当合金氢化物受热时又可释放氢气。合力较弱，当合金氢化物受热时又可释放氢气。0:04:59830123450123454.2wt%Carbon nanotube(RT,10MPa 氢压)3.6wt%1.8wt%1.4wt%Hydrogen storage capacity(wt%)LaNi5H6 TiFeH1.9 Mg2NiH4 Hydrogen storage capacity(wt%)p
35、er weight储氢合金的储氢量比较储氢合金的储氢量比较储氢合金材料达到实用目的，必须满足下列要求：储氢合金材料达到实用目的，必须满足下列要求：储氢量大，能量密度高储氢量大，能量密度高；吸氢和放氢速度快吸氢和放氢速度快；氢化物生成热小氢化物生成热小；分解压适中分解压适中：容易活化容易活化；化学稳定性好化学稳定性好；在储运中安全、无害在储运中安全、无害；原料来源广、成本价廉原料来源广、成本价廉。0:04:5984四川大学材料学院储氢材料四川大学材料学院储氢材料课题组首创低成本课题组首创低成本V-Ti-V-Ti-Cr-FeCr-Fe四元合金体系：四元合金体系：在温和在温和条件下可快速吸氢饱和条件
36、下可快速吸氢饱和:40:40，6min6min储氢合金材料主要有：储氢合金材料主要有：稀土系列、镁镍系列、钛稀土系列、镁镍系列、钛合金系列等合金系列等。大多数金属氢化物储氢量在大多数金属氢化物储氢量在1-4(质量分数质量分数)、能量密度高，所需费用明显低于深冷液化储气和能量密度高，所需费用明显低于深冷液化储气和高压储氢，原料易得，安全可靠高压储氢，原料易得，安全可靠。储氢合金已成。储氢合金已成为各国都积极研发的一种很有前途的储氢方法。为各国都积极研发的一种很有前途的储氢方法。0:05:0085我国生产的稀土储氢合金我国生产的稀土储氢合金LaNi5是稀土系储氢合金的典型代表是稀土系储氢合金的典型
37、代表，由荷兰，由荷兰Philip实验室于实验室于1969年首先研制。年首先研制。LaNi5在室温下可与一定压力的氢气反应形成氢化物，在室温下可与一定压力的氢气反应形成氢化物，如下式所示：如下式所示：LaNi5具有优良的储氢性能，块状具有优良的储氢性能，块状LaNi5合金储氢量合金储氢量约约1.4(质量分数质量分数)，分解压适中平坦，活化容易，分解压适中平坦，活化容易，具有良好的动力学特性和抗杂质气体中毒性。具有良好的动力学特性和抗杂质气体中毒性。0:05:0086 6525HLaNi3HaNiL LaNi5成本高，大规模应用受限，因此发展成本高，大规模应用受限，因此发展置换置换La和和Ni的的
38、多元合金：多元合金：LaNi5-xMx(MAl、Mn、Cr、Fe、Co、Cu等等)和和R0.2La0.8Ni5(RY、Gd、Nd、Th等等)。用用富富Ce混合稀土混合稀土(Mm)代替代替La可研制廉价的可研制廉价的MmNi5储储氢合金，在氢合金，在MmNi5基础上开发多元合金，如基础上开发多元合金，如MmNi1-yBy(B=Al、Cu、Fe、Mn、Ga、Sn、Cr等等)系列，系列，不不仅保持仅保持LaNi5的优良特性，而且在储氢量和动力学特的优良特性，而且在储氢量和动力学特性方面优于性方面优于LaNi5，价格仅为纯，价格仅为纯La的的1/5。0:05:00870:05:00882009年，年，
39、西博会上展出的川大宝生实西博会上展出的川大宝生实业公司生产的稀土储氢合金电池业公司生产的稀土储氢合金电池TiFe具有优良储氢特性具有优良储氢特性，吸氢量约，吸氢量约1.75(质量分数质量分数)，室温下释氢压力约为室温下释氢压力约为0.1MPa。价格较低，具有很大。价格较低，具有很大实用价值。实用价值。TiFe活化困难，须在活化困难，须在450和和5MPa压力下进行活化；压力下进行活化；抗毒性弱抗毒性弱(特别是特别是O2)，反复吸释氢后性能下降。，反复吸释氢后性能下降。为改善为改善TiFe合金储氢特性，可用过渡元素合金储氢特性，可用过渡元素(M)置换部置换部分铁形成分铁形成TiFe1-yMy(M
40、=Cr、Mn、Mo、Co、Ni等等)。TiFe0.8Mn0.2可在室温可在室温3MPa氢压下活化，生成氢压下活化，生成TiFe0.8Mn0.2H1.05氢化物，储氢量达到氢化物，储氢量达到1.9wt。0:05:0089 资源丰富，价格低资源丰富，价格低 室温下可逆储放氢室温下可逆储放氢 易被氧化易被氧化 活化困难活化困难 抗杂质气体中毒能力差抗杂质气体中毒能力差实际使用时需对合金进行表面改性处理实际使用时需对合金进行表面改性处理0:05:00900:05:0091在在300-400和较高氢压下，和较高氢压下，Mg2Ni与氢生成与氢生成Mg2NiH4，含氢量为含氢量为3.65wt，理论储氢量可达
41、，理论储氢量可达6%，但其稳，但其稳定性强，释氢困难。定性强，释氢困难。用用Ca和和A1取代部分取代部分Mg形成形成Mg2-xMxNi，氢比物离解速，氢比物离解速度比度比Mg2Ni增大增大40以上，活化容易，具有良好的以上，活化容易，具有良好的储氢性能，性质稳定。储氢性能，性质稳定。利用过渡元素利用过渡元素(M)置换置换Mg2Ni中的部分中的部分Ni，形成形成Mg2Ni1-xMx合金合金(MV、Cr、Mn、Fe、Zn等等)，也可，也可改善吸改善吸/释氢的速度，具有实用价值。释氢的速度，具有实用价值。储氢容量高储氢容量高密度小密度小资源丰富资源丰富价格低廉价格低廉放氢温度高（放氢温度高（2503
42、00）放氢动力学性能较差放氢动力学性能较差0:05:0092氢储存是储氢合金最基本的应用。氢储存是储氢合金最基本的应用。金属氢化物储氢密度高，采用金属氢化物储氢密度高，采用Mg2Ni制成的储氢容制成的储氢容器与高压器与高压(20MPa)钢瓶和深冷液化储氢装置相比，钢瓶和深冷液化储氢装置相比，在储氢量相等的情况下，三者质量比为在储氢量相等的情况下，三者质量比为1：1.4：1.2，体积比，体积比为为1：4：1.3；储氢合金储氢无需高压或低温设施，节省能源；储氢合金储氢无需高压或低温设施，节省能源；氢以金属氢化物形式存在储氢合金中，安全可靠，便于氢的氢以金属氢化物形式存在储氢合金中，安全可靠，便于氢
43、的运输和传递。运输和传递。0:05:00930:05:0094储氢合金储氢量与其他储氢方法储氢量的比较储氢合金储氢量与其他储氢方法储氢量的比较储氢合金可分离氢气。储氢合金可分离氢气。混合气体混合气体流过储氢合金分离床，氢被吸收流过储氢合金分离床，氢被吸收形成金属氢化物，杂质排出；加形成金属氢化物，杂质排出；加热金属氢化物，得到回收氢气。热金属氢化物，得到回收氢气。反复提纯可获得高纯氢气，反复提纯可获得高纯氢气，每年大量含氢尾气放空每年大量含氢尾气放空(仅合成仅合成氨工业全国每年放空尾气数十亿氨工业全国每年放空尾气数十亿m3，含有，含有50-60%的氢气的氢气)，回，回收利用可提供大量廉价氢气，
44、得收利用可提供大量廉价氢气，得到巨大的能源补充。到巨大的能源补充。0:05:0195氢气纯化装置氢气纯化装置氢气纯化工厂氢气纯化工厂某些储氢合金的氢化物同氘、某些储氢合金的氢化物同氘、氚化物相比，同一温度下吸释氚化物相比，同一温度下吸释氘氚的热力学和动力学特性有氘氚的热力学和动力学特性有较大差别，可用于较大差别，可用于氢同位素的氢同位素的分离。分离。TiNi合金吸收合金吸收D2的速率为的速率为H2的的1/10，将含，将含7%D2的的H2导入到导入到TiNi合金中，每通过一次可使合金中，每通过一次可使D2浓缩浓缩50%，通过多次压缩和，通过多次压缩和吸收，氘的浓度可迅速提高，吸收，氘的浓度可迅速
45、提高，同时回收大量高纯同时回收大量高纯H2。0:05:0196氢同位素的应用氢同位素的应用金属氢化物也是理想的能量转换材料。金属氢化物也是理想的能量转换材料。氢化物热泵氢化物热泵：以氢气为工作介质，储氢合金为能量：以氢气为工作介质，储氢合金为能量转换材料，相同温度下分解压不同的两种氢化物组转换材料，相同温度下分解压不同的两种氢化物组成热力学循环系统，以它们的平衡压差驱动氢气流成热力学循环系统，以它们的平衡压差驱动氢气流动，使两种氢化物分别处于动，使两种氢化物分别处于吸氢吸氢(放热放热)和和放氢放氢(吸热吸热)状态，达到升温、增热或制冷目的。状态，达到升温、增热或制冷目的。德国用德国用LaNi5
46、/Ti0.9Zr0.1CrMn合金获得合金获得-25低温；低温；日本用日本用MmNiMnAl/MmNiMnCo制备制冷系统，连制备制冷系统，连续获得续获得-20低温，制冷功率为低温，制冷功率为900-1000W。0:05:0197储氢合金电极替代储氢合金电极替代NiCd电池中的电池中的Cd负极，组成镍负极，组成镍-氢化物电池，氢化物电池，不但具有高能量密度，而且耐过充，不但具有高能量密度，而且耐过充，放电能力强，无重金属放电能力强，无重金属Cd对人体和环境的危害。对人体和环境的危害。0:05:0198储氢合金在镍氢电池上的应用储氢合金在镍氢电池上的应用1966年，年，Pebler首先将二元锆基
47、首先将二元锆基Laves相合金用于储相合金用于储氢的研究，发现其储氢容量达到氢的研究，发现其储氢容量达到1.82.4 wt。具有具有Laves相结构的金属间化合物相结构的金属间化合物原子间隙由四面体构成，间隙多，有利于氢原子的原子间隙由四面体构成，间隙多，有利于氢原子的吸附吸附TiMn1.5H2.5 日本松下（日本松下（1.8）Ti0.90Zr0.1Mn1.4V0.2Cr0.4活性好活性好用于：氢汽车储氢、电池负极用于：氢汽车储氢、电池负极 0:05:0199以以ZrMn2、TiMn2为代表的为代表的AB2型储氢合金具有型储氢合金具有Laves相结构，所涉及的有六方结构的相结构，所涉及的有六方
48、结构的C14型型Laves相和立方结构的相和立方结构的C15型型Laves相两种。此类相两种。此类合金的储氢量大，放电容量比合金的储氢量大，放电容量比AB5型的稀土系合型的稀土系合金电极高金电极高3040，在碱性解液中形成的致密，在碱性解液中形成的致密氧化膜能有效抑制电极成分的进一步氧化，稳氧化膜能有效抑制电极成分的进一步氧化，稳定性好，循环寿命长。定性好，循环寿命长。0:05:02100AB2型型Laves相储氢电极合金至今仍存在初期活化相储氢电极合金至今仍存在初期活化困难、无明显放电平台、高倍率放电性能极差等困难、无明显放电平台、高倍率放电性能极差等缺点，且成本较高，使其综合性能不能达到大
49、规缺点，且成本较高，使其综合性能不能达到大规模应用的要求。尽管模应用的要求。尽管AB2型储氢合金存在以上问型储氢合金存在以上问题，但其储氢容量高和循环寿命长，被列为下一题，但其储氢容量高和循环寿命长，被列为下一代高容量代高容量NiMH电池的首选材料。电池的首选材料。0:05:02101此合金由此合金由C14型型Laves相和相和V基固溶体共同组成主相，同时存基固溶体共同组成主相，同时存在少量在少量TiNi相，在相，在C14型型Laves相和相和TiNi相的共同催化作用下，相的共同催化作用下，可使可使V基固溶体相具有良好的电化学吸基固溶体相具有良好的电化学吸/放氢性能。放氢性能。V及及V基固溶体
50、合金基固溶体合金(V-Ti和和V-TiCr等等)吸氢时可生成吸氢时可生成VH及及VH2两种氢化物，其中两种氢化物，其中VH2的储氢量高达的储氢量高达3.8 wt，电化学放，电化学放电容量为电容量为1018 mAhg，约为，约为LaNi5型储氢合金的型储氢合金的2.9倍。倍。V基基固溶体型合金具有储氢量大，氢在合金中扩散速度快等优点，固溶体型合金具有储氢量大，氢在合金中扩散速度快等优点，但其成本高、破碎困难、平台不明显、寿命短，而且本身在但其成本高、破碎困难、平台不明显、寿命短，而且本身在碱液中缺乏电催化活性而小具备可逆的电化学容量。碱液中缺乏电催化活性而小具备可逆的电化学容量。0:05:021
