氢原子钟用具有优良力学性能的非晶吸气合金Ti20Zr20Ni50-xCr10V10REx研究

As a chromoneter, hydrogen maser can ensure very precision time measurement for satellite navigation system. The performance of hydrogen absorption in getter materials can directly affect the reliability and stability of the hydrogen maser. Domestic research and development of getters for the hydrogen maser mainly focus on titanium porous materials, which have high activation temperature resulting in degrading mechanical property and even becoming powders after hydrogen absorption. The amorphous getter alloy can improve these disadvantages because its structure is atomic long-range disordered arrangement, which can provide a large number of low energy barrier holes to benefit hydrogen atom diffusion and occupied position. Based on the theory of amorphous structure and combining a co-operation with Shanghai Astronomical Observatory, Ti20Zr20Ni40Cr10V10 amorphous alloy has been prepared. The mechanical property of the Ti20Zr20Ni40Cr10V10 amorphous alloy is good during the process of hydrogen absorption. After hydrogen absorption, its tensile strength, elongation and elastic modulus is 434 MPa, 76% and 57.2 GPa, respectively. In order to further reach requirements of applications of the hydrogen maser, the title of “Study of Ti20Zr20Ni40-xCr10V10Rex Amorphous Getter Alloy with Excellent Mechanical Properties used in the Hydrogen Maser” is proposed in this application. It is expected that hydrogen absorption performance of amorphous alloy will be further improved by adding rare earth elements (RE). A new type of getter materials used in hydrogen maser with independent intellectual property rights will be explored. It will provide a guarantee for miniature hydrogen maser and spaceborne applications.

氢钟作为精密计时器为卫星导航系统提供了高精度时间计量保障。氢钟用吸气材料的吸氢性能直接影响其可靠性和稳定性。国内对氢钟用吸气材料研发主要为钛多孔材料，此材料激活温度高，吸氢后易碎。如果将吸气合金制成非晶合金可改善这些缺点。因为非晶材料的原子结构是长程无序，它为氢原子的扩散和占位提供了低能垒空穴。以此理论为基础，申请者前期与上海天文台合作，制备了Ti20Zr20Ni40Cr10V10非晶合金，吸氢后力学性能优良，抗拉强度、延伸率和弹性模量分别为434 MPa、0.76%和57.2 GPa。为了满足氢钟应用要求，本申请提出“氢钟用具有优良力学性能的非晶吸气合金Ti20Zr20Ni40-xCr10V10REx研究”。希望通过添加稀土元素(RE)提高非晶的吸氢性能，研发一种具有自主知识产权的低激活温度、大吸氢量、高力学性能的氢钟用吸气材料，为氢钟的小型化及星载应用提供保障。

作为天文卫星心脏的氢原子钟，它的精密计时为卫星导航系统提供了高精度时间计量保障。所以它性能的稳定化、可靠性及小型化势在必行。目前国内外氢原子钟的氢源由两个独立的放氢和吸氢系统组成。其中用于氢原子钟吸吸气材料性能的好坏，直接影响氢原子钟的可靠性和稳定性。国内氢原子钟用的吸气材料主要为钛多孔材料，此材料激活温度高（≥ 700 ℃），对氢原子钟系统装置造成大的热负荷；而且这些材料激活时易放气及吸氢后易碎等问题，影响了氢原子钟的稳定性与可靠性。. 本研究在 Ti20Zr20Ni50-xCr10V10Cex 合金的基础上，通过对此合金吸氢性能、激活温度及成分优化，制备了低成本 Zr-V-Cr-Ce 合金，此合金的最大吸氢量为 2.25 wt%，激活温度为 450 ℃，其吸氢性能与激活温度优于目前氢原子钟用的钛吸氢材料（激活温度≥700℃）。. 将 Zr-V-Cr-Ce 合金用于氢原子钟进行了中试实验，经过氢原子钟上物理信号分析发现: 1) 激活过程中，氢原子钟上物理信号稳定（信号中心频率为 1420.407302 MHZ，带宽为2dB，电磁场能量为 8574.64 J），说明 Zr-V-Cr-Ce 合金在激活过程中不放气；2)当氢原子钟真空环境仅靠 Zr-V-Cr-Ce 合金维持时（将离子泵电压降为0KV），氢原子钟的物理信号为：信号中心频率为 1420.407302 MHZ，带宽为1.59 dB，实验结果显示 Zr-V-Cr-Ce 合金激活后完全能够维持氢原子钟的物理信号；3）吸氢后Zr-V-Cr-Ce仍具有优良力学性能（吸氢后抗拉强度224 MPa）；4）在中试试验中，Zr-V-Cr-Ce 合金的重量仅是 100 克，是目前氢原子钟用的钛多孔材料的十分之一（目前用钛是 1000 克），说明此合金能满足氢原子钟吸氢系统轻量化和型号稳定化的需求。. 本项目研发了一种具有自主知识产权的低激活温度、激活过程不放气、大吸氢量、良好力学性能的氢原子钟用 Zr-V-Cr-Ce 吸氢合金，它将为为氢原子钟的小型化、稳定化及星载应用提供保障。