一种含铁镁基复合材料及其制备方法和应用.pdf

本发明公开了一种含铁镁基复合材料及其制备方法和应用，所述复合材料中Fe的质量分数为0.01％-10％，其余为镁，所述材料密度为1.37～2.35g/cm3。所述含铁镁基复合材料的制备方法如下：1)：取镁粉和铁粉并球磨形成均匀混料，所述混料中Fe粉的质量分数为0.01％-10％，其余为镁粉；2)：将经过步骤1处理的均匀混料置入成型模具中，在温度为25～150℃，压力为50～300MPa条件下预压制成型；3)将步骤2)压制成型的材料在氩气的保护条件下进行烧结，烧结温度为580-600℃，烧结时间为2～5小时，压力为100～300MPa。所述含铁镁基复合材料可作为析氢反应原料和作为开采石油过程中的压裂球。该含铁镁基复合材料制备工艺简单，产氢和溶解速率快，且析氢速率可由孔隙率和表面积控制，应用产物无污染。

1.  一种含铁镁基复合材料，其特征在于，所述复合材料中Fe的质量分数为0.01％-10％，其余为镁，所述复合材料密度为1.37～2.35g/cm³。

2.  根据权利要求1所述一种含铁镁基复合材料，其特征在于，所述Fe的质量分数为5％。

3.  权利要求1所述含铁镁基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：
1)：取镁粉和铁粉并球磨形成均匀混料，所述混料中Fe粉的质量分数为0.01％-10％，其余为镁粉；
2)：将经过步骤1处理的均匀混料置入成型模具中，在温度为25～150℃，压力为50～300MPa条件下预压制成型；
3)：将步骤2)压制成型的材料在氩气的保护条件下进行烧结，烧结温度为580-600℃，烧结时间为2～5小时，压力为100～300MPa。

4.  根据权利要求3所述含铁镁基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述铁粉粒度为-300目，所述镁粉粒度为-50目。

5.  根据权利要求3所述含铁镁基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述成型模具为高1.1cm，直径1.8cm的圆柱型。

6.  权利要求1所述含铁镁基复合材料作为析氢反应原料的应用。

7.  权利要求1所述含铁镁基复合材料在开采石油过程中作为可溶性的压裂球的应用。

一种含铁镁基复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于镁基复合材料领域，具体涉及一种含铁镁基复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
镁作为目前工程应用中最轻的一种金属材料，具有比强度高、比刚度高、减震性和导热性良好等优点，常用于航空航天、汽车等领域。但镁基复合材料极容易被腐蚀，是因为镁电极电位低，与其他金属接触时，镁一般作为阳极发生电偶腐蚀，腐蚀过程中产生氢气和放出大量的热。氢气作为清洁燃料，燃烧时排放出的气体是水，对大自然无任何污染，燃烧时放出的能量也很高，而且以氢为能源的燃料电池也有希望解决我们所面临的几乎每一个能源问题，目前提取氢气主要是利用吸收剂对空气进行变压力吸附和加压吸附气体中的杂质组分，经脱氧工艺把弱吸附组的氢气和少量氧气再分离，在钯催化剂的作用下，反应得到高纯度氢气。这种技术氢气只适应于批量生产，制作成本高，工作量大，且对于携带和储存是十分不方便的。目前有制作高铁含量的镁合金材料的工艺，但机械化制备的铁—镁合金材料，工艺相当复杂，不适合实际应用；也有采用铸造方式获得铁—镁合金材料，但是铁不溶于镁，获得的铁—镁合金材料铁含量比较低，间接的影响了析氢速率。目前有相关专利利用烧结工艺制作铁—镁复合材料，可有效的使铁均匀混合在镁基中，但是其成分里含有大量的锂，成本高，还含有有害元素锆，污染环境。而本发明中利用烧结工艺制备的铁—镁复合材料，只含有铁镁元素，制备工艺简单，有效解决了氢气的储存问题，便于携带，燃烧产物无污染，可用于登山或者潜水提供热量，且产生氢气过程中放出的热量还可以用来取暖，在边远地区或者寒冷地区也可以用来加热食物等等。
另外，铁—镁复合材料作为一种可溶性金属，还可以用于开采石油过程中的压裂球。多级投球滑套系统开采石油的原理是：根据地质和工艺要求采用封隔器把油气井裸眼段分为若干段，在需要改造的位置下投入球滑套，在压裂施工时向井中投入压裂球依次打开投球滑套，从而实现分级压裂的目的。目前，主要采用的材料是一些复合材料，可溶性低，工作量比较大，成本高，由于铁—镁复合材料电极电位低，易腐蚀，加工成本低，比强度高，可溶性强，溶解速率快，产物无污染，用于石油开采的压裂球具有很大的应用前景。综上所诉，为了保护环境，为人类提供方便，节约成本，迫切需要研发这种产氢速度快，且便于携带的含铁镁基复合材料。利用粉末模压成型，在真空中烧结获取试样样品，分析其析氢速率及腐蚀速率，对含铁镁基复合材料在实际生活中的应用是十分有必要的。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种含铁镁基复合材料及其制备方法和应用。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种含铁镁基复合材料，所述复合材料中Fe的质量分数为0.01％-10％，其余为镁，所述复合材料密度为1.37～2.35g/cm³。
优选的，所述Fe的质量分数为5％。
所述含铁镁基复合材料的制备方法，步骤如下：
1)：取镁粉和铁粉并球磨形成均匀混料，所述混料中Fe粉的质量分数为0.01％-10％，其余为镁粉；
2)：将经过步骤1处理的均匀混料置入成型模具中，在温度为25～150℃，压力为50～300MPa条件下预压制成型；
3)将步骤2)压制成型的材料在氩气的保护条件下进行烧结，烧结温度为580-600℃，烧结时间为2～5小时，压力为100～300MPa。
优选的，步骤1)中所述铁粉粒度为-300目，所述镁粉粒度为-50目。
优选的，步骤2)中所述成型模具为高1.1cm，直径1.8cm的圆柱型。
所述含铁镁基复合材料作为析氢反应原料的应用。
析氢反应是制备无污染清洁能源氢气的有效手段，因为镁的化学性质活泼，平衡电位很低，较易失去电子而发生氧化反应，当镁的复合材料在水溶液中发生腐蚀时，其腐蚀过程主要以析氢为主，以点蚀或者全面腐蚀形式迅速溶解直至粉化，所以将含铁镁基复合材料作为析氢反应原料的应用有效解决了氢气的储存问题，便于携带，燃烧产物无污染，产生氢气过程中放出的热量还可以用来取暖，为登山或者潜水提供热量。在边远地区或者寒冷地区也可以用来加热食物等等。
所述含铁镁基复合材料在开采石油过程中作为可溶性的压裂球的应用。
多级投球滑套系统开采石油的原理是：根据地质和工艺要求采用封隔器把油气井裸眼段分为若干段，在需要改造的位置下投入球滑套，在压裂施工时向井中投入压裂球依次打开投球滑套，从而实现分级压裂的目的。目前，主要采用的材料是一些复合材料，可溶性低，工作量比较大，成本高，由于镁基复合材料电极电位低，易腐蚀，加工成本低，比强度高，可溶性强，溶解速率快，产物无污染，用于石油开采的压裂球具有很大的应用前景。
本发明的有益效果在于：本发明的含铁镁基复合材料密度在1.37—2.35g/cm³，抗压强度为60～100MPa，含铁镁基复合材料腐蚀速率和析氢速率可由样品孔隙率和表面积大小调控，一般越疏松及表面积越大，其腐蚀速率及析氢速率越大，通过本发明在模压温度为100℃制备出的镁基复合材料，在3％NaCl溶液常温时，自腐蚀速率约为0.46～1.42ml/(min·cm²)，70℃ 时，自腐蚀速率约为3.54～10.73ml/(min·cm²)，90℃时，析氢速率为4.78～14.32ml/(min·cm²)，在模压温度为150℃制备的样品，在3％KCl溶液常温时，析氢速率为0.22～0.69ml/(min·cm²)，70℃时，析氢速率为2.81～8.53ml/(min·cm²)，90℃时，析氢速率为3.59～10.89ml/(min·cm²)。该镁基复合材料制备工艺简单，产氢和溶解速率快，溶解速率可以由孔隙率和表面积调控，应用产物无污染。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为烧结成型后的样品的微观形貌图，其中A为温度为25℃条件下预压制成型再烧结的样品，B为温度为100℃条件下预压制成型再烧结的样品，C为温度为150℃条件下预压制成型再烧结的样品；
图2为样品在KCl溶液中的吸氢过程，其中A为溶液温度为25℃，B为溶液温度为70℃，C为溶液温度为90℃。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
实施例1
准备成分纯度≥99.8％的镁粉和铁粉，其中镁粉-50目，铁粉-300目。按铁粉5％，镁粉95％的比例置入球磨机里球磨混合均匀，混合过程中不做任何保护，混合均匀后，将粉末倒入成型模具中，在25℃下预压制成型，压力50MPa，模具直径18mm。
将压制好的材料放入管式炉中烧结，烧结过程在真空且通氩气保护，防止氧化含铁镁基复合材料，烧结温度600℃，压力100MPa，烧结时间3小时，随炉冷却3小时取样，获得圆柱型小试样。
实施例2
准备成分纯度≥99.8％的镁粉和铁粉，其中镁粉-50目，铁粉-300目，按铁粉5％，镁粉95％的比例置入球磨机里球磨混合均匀，混合过程中不做任何保护，混合均匀后，将粉末倒入成型模具中，在100℃下预压制成型，压力50MPa，模具直径18mm。
将压制好的材料放入管式炉中烧结，烧结过程在真空且通氩气保护，防止氧化含铁镁基复合材料，烧结温度600℃，压力100MPa，烧结时间4小时，随炉冷却3小时取样，获得圆柱型小试样。
实施例3
准备成分纯度≥99.8％的镁粉和铁粉，其中镁粉-50目，铁粉-300目。按铁粉5％，镁粉95％的比例置入球磨机里球磨混合均匀，混合过程中不做任何保护，混合均匀后，将粉末倒入成型模具中，在150℃下预压制成型，压力150MPa，模具直径18mm。
将压制好的材料放入管式炉中烧结，烧结过程在真空且通氩气保护，防止氧化含铁镁基复合材料，烧结温度600℃，压力150MPa，烧结时间4小时，随炉冷却3小时取样，获得圆柱型小试样。
实施例4
准备成分纯度≥99.8％的镁粉和铁粉，其中镁粉-50目，铁粉-300目，按铁粉5％，镁粉95％的比例置入球磨机里球磨混合均匀，混合过程中不做任何保护，混合均匀后，将粉末倒入成型模具中，在150℃下预压制成型，压力150MPa，模具直径18mm。
将压制好的材料放入管式炉中烧结，烧结过程在真空且通氩气保护，防止氧化含铁镁基复合材料，烧结温度600℃，压力200MPa，烧结时间5小时，随炉冷却3小时取样，获得圆柱型小试样。
实施例5
准备成分纯度≥99.8％的镁粉和铁粉，其中镁粉-50目，铁粉-300目，按铁粉5％，镁粉95％的比例置入球磨机里球磨混合均匀，混合过程中不做任何保护，混合均匀后，将粉末倒入成型模具中，在150℃下预压制成型，压力300MPa，模具直径18mm。
将压制好的材料放入管式炉中烧结，烧结过程在真空且通氩气保护，防止氧化含铁镁基复合材料，烧结温度600℃，压力200MPa，烧结时间5小时，随炉冷却3小时取样，获得圆柱型小试样。
通过在800#砂纸上打磨，去掉试样表面的氧化膜，即可作为制氢原材料和开采石油所用可溶性金属压裂球。
图1为烧结成型后的样品的微观形貌图，其中A为温度为25℃条件下预压制成型再烧结的样品，B为温度为100℃条件下预压制成型再烧结的样品，C为温度为150℃条件下预压制成型再烧结的样品。
对制得的样品进行析氢反应实验，将实施例5制备的样品放入质量分数为3％的KCl溶液中进行吸氢反应，图2记载了吸氢反应在不同温度条件下的吸氢过程，其中A为溶液温度为25℃，B为溶液温度为70℃，C为溶液温度为90℃。通过检测发现，在3％KCl溶液中常温时，析氢速率为0.22～0.69ml/(min·cm²)，70℃时，析氢速率为2.81～8.53ml/(min·cm²)，90℃时，析氢速率为3.59～10.89ml/(min·cm²)。可总结出，温度较高有利于吸氢反应的进行，加快 吸氢速率，进一步论证了含铁镁基复合材料作为析氢反应原料具有产氢速率快的效果。
对制得的样品进行析氢反应实验，将实施例3制备的样品放入质量分数为3％的NaCl溶液中进行自腐蚀实验，通过检测发现，在3％NaCl溶液常温时，自腐蚀速率约为0.46～1.42ml/(min·cm²)，70℃时，自腐蚀速率约为3.54～10.73ml/(min·cm²)，90℃时，自腐蚀速率为4.78～14.32ml/(min·cm²)。可总结出，温度较高有利于自腐蚀反应的进行，也进一步论证了本发明的含铁镁基复合材料可作为开采石油过程中的压裂球的应用。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。