第七章新型材料(1)(3 / 3)

1980年6月,美國聯合公司首先製成了金屬玻璃鐵芯變壓器,與矽鋼片鐵芯變壓器相比,其磁導率高,電阻率大,損耗僅為矽鋼片的1/3,從而可節約大量的電能。

日本的新日本鋼鐵公司從1981年與日本東北大學共同研究開發電力變壓器鐵芯用金屬玻璃材料,已製成新型的變壓器鐵芯。他們是把配好的鐵、硼、矽等原料先在高頻電爐中熔化,然後將合金熔體噴射到高速旋轉的冷卻輥上,一瞬間即可製成厚30微米、寬150毫米的用來製作鐵芯的金屬玻璃薄帶。

金屬玻璃由於具有良好的軟磁特性,以及低的鐵損耗和低密度等優點,因而也是航空變壓器比較理想的鐵芯材料。用金屬玻璃製成的800赫航空變壓器,比傳統的矽鋼片變壓器的重量減輕了11%,體積減小了19%,空載電流降了70%,較坡莫合金變壓器的重量減輕得更多。

開關電源

20世紀80年代初,開關電源主要用於電子計算機的外圍設備、通信設備等容量較大的電子機械上,後來開始在電視機、磁帶錄像機等電器方麵得到應用。由於開關電源上使用的功率變壓器、磁放大器和調節器等磁性器件的工作頻率移向較高的頻帶,因而要求它們的鐵芯材料在較高的頻率下具有較低的損耗。而金屬玻璃的電阻率是開關電源鐵芯製作所用的坡莫合金和鐵氧體等軟磁材料的兩倍以上,而且堅固性和熱導率都比鐵氧體高,在一定的頻率範圍內具有較低的損耗,同時還具有帶材薄等優點,所以金屬玻璃是開關電源較理想的鐵芯製作材料。

添加鉻的以鑽為基體的金屬玻璃用於工作頻率為100千赫的開關電源係統,可使其效率提高到80%以上,而且鐵芯的升溫較低。

電磁器件

1980年,日本索尼公司用金屬玻璃製成了市場上第一件民用產品——電唱機抬音卡盤。金屬玻璃是用在把電唱機的機械振動轉換為電信號的磁路上,使電唱機能發出非常優美的音質。隨後,日本TDK公司用金屬玻璃製成錄音機磁頭,由於金屬玻璃所具有的優異磁性,因而顯著地改善了音質。磁頭要求所用材料的磁導率越高越好,同時還要求高的耐磨性和耐腐蝕性。而金屬玻璃不僅能滿足這些要求,而且由於無晶界而避免了磁頭尖部的脫落損傷。

金屬玻璃太陽能電池瓦

金屬玻璃還是高效率的光能吸收和光電材料,用它可製成能直接吸收太陽能的非晶態合金,進而製作吸熱效率高的太陽能熱水器。用非晶態矽可以製作優質光電池。日本已製成了金屬玻璃太陽能電池瓦,每塊瓦能產生2瓦電。一般家庭的房頂平均使用2000塊瓦,如果其中1/4使用金屬玻璃太陽能電池瓦,平均每天就可發出2.7度電,可滿足一般家庭的用電需要。

漏電保安器

金屬玻璃由於具有優良的高導磁軟磁性能,可以用來製成安全可靠的漏電保安器。用我國創製的金屬玻璃軟磁合金製成的漏電開關係列,其質量優異,而成本卻低於常用的坡莫合金鐵芯漏電開關,因此目前已在民用漏電保安器中推廣應用。

四、儲氫合金

儲氫合金

氫是一種高效能燃料。1千克氫燃燒可放出14萬焦耳的熱量,是汽油發熱量的3倍,而且它燃燒後即成水,不汙染環境,可以說是一種取之不盡的清潔能源。另外,氫還是合成氨、煉油、半導體和食品加工工業所不可缺少的原料。

然而,氫容易爆炸,這就給使用、運輸和儲存帶來困難。氫在常溫下是氣體,大都用鋼製的氫氣瓶來儲存。但氫氣瓶存儲的氫氣有限,所裝氫氣重量不到氫氣瓶重的1%,既笨重,又有爆炸的危險。

20世紀60年代,材料王國裏出現了能儲存氫的金屬和合金。

儲氫合金儲氫,比氫氣瓶的本領大多了。它儲氫量大,使用方便,還可免去龐大的鋼製容器。用氫時,將儲氫合金加熱,氫就能及時釋放出來,而且還可通過調節加熱溫度和合金的成分來控製合金釋放氫的快慢和數量。

儲氫合金壓縮機

利用儲氫合金放氫時所產生的壓力,通過適當的動力轉換裝置,即可轉變成有用的機械能。用儲氫合金製作的壓縮機,當向裝有儲氫合金填充層的壓縮機內輸入低壓氫氣時,儲氫合金便吸氫放熱,將氫儲存起來,而放出的熱量用通入管子的冷水吸收,然後,將熱水通入管子,使儲氫合金加熱,它便吸熱並放出高壓氫氣,可用來作為驅動力。這種壓縮機由於沒有複雜的機械零件,所以結構簡單,製造成本低,而且工作中不產生噪音,也不會發生機械故障。用儲氫合金製成的小型驅動器,因為氫氣有緩衝作用,所以耐衝擊和過負載,而且重量輕,無噪聲,能產生相當大的驅動力。美國、日本等國已利用儲氫合金製作機器人的驅動裝置,既靈敏可靠又輕便。

燃氫汽車

儲氫合金的未來最大用戶很可能是燃氫汽車。這是因為氫產生的熱能大,而且沒有汙染。例如,一種鎂鎳儲氫合金製成的汽車氫燃料箱自身重100千克,而所吸收的氫的熱能卻相當於40千克汽油所散發的熱量。美國、日本、德國都在積極研製燃氫汽車,我國也在這方麵進行開發研究。1980年,我國研製成的一輛燃氫汽車樣車,用90千克重的氫燃料箱,以每小時50千米的速度行駛40多千米,當時車內乘員12人。如果采用同樣重的蓄電池,隻能行駛8千米。日本工業技術院研製的燃氫汽車已正式投入行駛,時速達100千米以上,充一次氫氣可行駛200千米以上。目前,多采用鈦係、稀土係和鐵鈦錳儲氫合金製作儲氫燃料箱。

儲氫合金電池

人們還利用儲氫合金製作燃料電池和二次電池(蓄電池),這些電池具有安全、穩定和使用壽命長等優點。日本夏普公司研製的儲氫合金二次電池,與一般的鎳鎘蓄電池相比,在相同的1.2伏電壓下,其能量密度是後者的1.5~2倍。

這種儲氫合金二次電池,以儲氫合金作為負極,而以鎳板作正極,並在正負極間充填含有堿溶液(電解液)的聚酷胺纖維。在電池中,儲氫合金一方麵進行氧化還原反應,另一方麵進行氫離子的吸收和釋放。與此同時,由於電子的得失在兩電極上產生一定的電動勢,將兩極用導線接通,就會出現電流。

目前,製作二次電池較好的儲氫合金是鑭鎳鋅、鈦鎳硼、釩鈦鎳等。