[发明专利]以多孔FeAlCr为基体的钯复合膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于氢及其同位素的提纯与分离技术领域，具体涉及一种以多孔FeAlCr为基体的钯复合膜及其制备方法。

背景技术

氢及其同位素的提纯与分离的关键元件是钯及其合金膜分离材料。目前国内外使用的膜分离材料是致密钯合金薄壁管。该薄壁管在使用过程中存在透氢速率低、成本高等问题，已经难以满足应用要求。钯合金薄膜附着在多孔材料表面形成的钯复合膜在保证氢选择透过性的同时，可以大幅提高氢渗透速率、减少金属钯的用量，降低材料成本，能有效地提高生产效率和安全性，是目前氢及氢同位素气体分离与纯化中普遍使用的致密钯合金薄壁管的替代产品。

作为钯复合膜多孔基体的材质主要有多孔陶瓷和多孔金属两类，国内在多孔陶瓷材料方面的研究比较活跃，虽然多孔陶瓷具有良好的耐高温、耐腐蚀性能，但多孔陶瓷材料存在耐冲击强度差、材质较脆、加工和连接密封困难等缺点。而多孔金属的热膨胀系数与钯非常接近，且具有容易制造和加工、耐腐蚀、抗破裂、可焊性好、成本低等优点，因而多孔金属成为钯合金基体的理想选择材料，目前国外研究较多的多孔金属基体为多孔不锈钢。但是，高温下存在多孔不锈钢与钯复合膜之间的元素扩散，降低了钯复合膜的透氢速率，缩短了钯复合膜的使用寿命。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种透氢速率高、耐氢腐蚀性能好、使用寿命长的以多孔FeAlCr为基体的钯复合膜。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种以多孔FeAlCr为基体的钯复合膜，其特征在于，由多孔FeAlCr基体管，包裹在多孔FeAlCr基体管外的原位氧化层，包裹在原位氧化层外的陶瓷过渡层，和最外层的钯合金膜组成；所述多孔FeAlCr基体管中Al的质量百分数为5％～30％，Cr的质量百分数不大于5％，Fe为余量。

上述多孔FeAlCr基体管的孔径为5μm～30μm，相对透气度为10m³/h·KPa·m²～100m³/h·KPa·m²，壁厚不大于1mm，管长不小于600mm。

上述原位氧化层为多孔FeAlCr基体管在温度为400℃～1000℃的条件下热氧化10h～100h形成的一层致密的原位氧化层。

上述陶瓷过渡层为采用溶胶凝胶法、物理气相沉积方法或化学气相沉积方法在多孔FeAlCr基体管的原位氧化层表面涂镀金属氧化物、金属氮化物或金属碳化物形成的厚度不大于1μm的过渡层。

上述钯合金膜为采用电镀、化学镀、磁控溅射或离子镀在多孔FeAlCr基体管的陶瓷过渡层上镀覆钯合金形成的厚度不大于30μm的合金膜。

上述金属氧化物为Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂或SiO₂；金属氮化物为Ti、Zr或Si的氮化物；金属碳化物为Ti、Zr或Si的碳化物。

上述钯合金为PdAg、PdCu、PdAgAuNi、PdAgAu或PdY。

本发明还提供了一种工艺简便且设计合理的以多孔FeAlCr为基体的钯复合膜的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)将Fe粉、Cr粉、Al粉和增塑剂混合均匀，然后采用粉末冶金工艺依次通过成形、脱脂、烧结制备成多孔FeAlCr基体管，所述增塑剂的加入量为Fe粉、Cr粉和Al粉总质量的5％～15％；或将FeAlCr合金粉末与增塑剂混合均匀，然后采用粉末冶金法依次通过成形、脱脂、烧结制备成多孔FeAlCr基体管，所述增塑剂的加入量为FeAlCr合金粉末质量的5％～15％；所述增塑剂为石蜡或甲基纤维素；所述多孔FeAlCr基体管中Al的质量百分数为5％～20％，Cr的质量百分数不大于5％，Fe为余量；

(2)将步骤(1)中所述多孔FeAlCr基体管在温度为400℃～1000℃的条件下热氧化10h～100h，形成一层致密的原位氧化层；