[发明专利]用于氢气吸收的基于钇的非蒸发性吸气合金

说明书

本发明涉及能吸收不同气体但尤其可用于吸收氢气的非蒸发性吸气合金。

在工业或研究领域的许多应用要求其恰当的操作，真空或用给定气体(或气体混合物)的氛围填充密闭容器；实例是热绝缘用的抽真空夹套(例如在暖瓶，也称为“保温瓶”或太阳能收集器(solarcollector))，其中尤其氢气的存在是有害的，因为这一气体具有高的导热率；等离子体显示器；或X-射线发生管。制备这些器件的方法包括容器抽真空和可能用所需的气体反填充的步骤；然而，这些方法总是留下痕量非所需的气体在最终的器件内。除此以外，在氢气的情况下，当产生高真空或不含氢气的气体的任何时候，存在引起这一气体再进入体系内的机理；这些机理主要是容器壁的放气和氢气从外部氛围越过这些壁进入容器，从而导致器件的恰当操作出现问题。由于相同的机理，氢气还成为在超高真空(UHV)体系，例如在研究领域中所使用的粒子加速器内残留压力的主要贡献。

为了从抽真空或气体填充的空间内除去痕量不想要的气体，已知使用非蒸发性吸气材料(在本领域中称为NEG材料，或简单地称为NEG)，即能化学固定气体分子，例如水、氧气、氢气、碳氧化物和在一些情况下氮气的材料。为了实现其功能，取决于材料的组成，NEG通常要求可在约300℃到约900℃之间变化的温度下热活化的最初处理，其持续时间包括数分钟到数小时。

NEG通常是第III、IV和V过渡族的金属，或者它与其他元素，通常其他过渡金属或铝的合金。最常用的吸气材料是钛基合金，和尤其锆基合金。

NEG材料对氢气显示出不同于其他气体的吸收行为。尽管对于大多数气体来说，通过这些合金化学吸收是不可逆的，但通过NEG吸收氢气是作为温度函数的可逆的平衡过程：氢气在相对低温下(根据材料的化学组成，在200-400℃下)被有效地吸收，但在较高温度下它被释放。这些材料在吸收氢气时的平衡特征通常借助曲线来图示，假设：在不同温度下，在NEG材料上氢气的平衡压力是作为在相同材料内氢气浓度的函数。

NEG材料的有利的特征是活化温度低，和当考虑氢气的吸收时，在该材料将在其下使用时的整个温度范围内氢气平衡压力低。

特别适合于氢气吸收的NEG材料是在美国专利No.3203901中公开的纯钇和合金，它含有以重量计，84％锆和16％铝；然而，这些材料均要求在约700-900℃范围内的相对高温以供其活化(这取决于所需的活化程度)。英国专利No.1248184和国际专利申请公布WO03/029502公开了富钇材料，其性能基本上与纯钇的性能相同；英国专利No.1248184中材料的另一问题是它们基本上是纯金属的混合物，结果在高温下，它们可产生与钇混合的金属的蒸发。

广泛用于氢气吸收的另一材料是美国专利No.5961750中公开的以重量计，80％锆，15％钴和5％稀土金属混合物(镧系和/或铈和稀土元素的商业混合物)的合适组成的合金；这一材料的缺点是，在超过约500℃的温度下，相对高的氢气平衡压力。

最后，国际专利申请公布WO2006/057020公开了含锆(作为主要组分)、钇和一种或更多种选自铝、铁、铬、锰和钒中的元素的合金以供在氢气吸收中使用。与前面提及的材料相比，该申请的材料具有较低的活化温度；然而它们对其他气体，例如氮气的吸收特征非常差。

本发明的目的是提供非蒸发性吸气合金，它能吸收宽泛的各种气体，且具有特别良好的氢气吸收性能。

根据本发明，通过含以重量计60％-85％钇，5％-30％锰和5％-20％铝的非蒸发性吸气合金来实现这一目的。

附图说明

以下参考附图描述本发明，其中：

-图1示出了代表本发明NEG合金的可能的组成范围的三元图解；

-图2a-2d示出了通过使用本发明的合金制备的非蒸发性吸气装置的一些可能的实施方案；

-图3-6代表显示本发明的合金和现有技术的一些吸气材料的气体吸收特征的图表。

本发明的合金是落在图1的重量百分数组成的三元图解显示的多边形内的那些。

在这些当中，优选在图1中分别以a和b点表示的组成Y75％-Mn15％-Al1和Y70％-Mn18％-Al12％。

通过在炉内以符合所需最终组成的相互比例关系熔融组分金属的小片或粉末来制备本发明的合金。优选在惰性气体下，例如压力为3×10⁴帕斯卡(Pa)的氩气下；或者在感应电炉内，在真空或惰性气体下的电弧熔融技术。然而，也可采用在冶金领域中制备合金常用的其他技术。熔融要求高于1000℃的温度。