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《长沙理工大学》 2015年
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不锈钢双极板表面纳米Cr及CrN涂层的制备与性能研究

文雯  
【摘要】:质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有功率密度高、启动快、工作温度低、效率高和环境友好等优点,作为可移动电源和便携电源有着广阔的应用前景。双极板是质子交换膜燃料电池的关键部件,占据着电池组重量和成本的绝大部分。金属材料在强度,抗气体扩散及大规模生产方面都有着非常明显的优势。然而,金属双极板在燃料电池工作环境中容易被腐蚀,这一直制约着其商业化应用。为此,必须提高金属双极板的耐腐蚀性能。本文采用直流磁控溅射工艺在316L不锈钢表面沉积纳米Cr涂层及CrN涂层,研究了磁控溅射沉积工艺参数对涂层微观结构及腐蚀性能的影响。取得了如下主要结果:研究基体温度(300℃,500℃)对纳米Cr涂层形貌和性能的影响。溅射电流为0.35A,基体温度为300℃时,铬膜层表现三维岛状形貌,晶粒尺寸均匀,晶粒大小约为50nm,晶粒之间有明显的空隙;基体温度为500℃时,铬涂层晶粒尺寸增大,涂层致密。在0.5mol/L H_2SO_4+2ppm F-中,与316L不锈钢相比,两种温度下沉积的纳米铬涂层的腐蚀电位均高于基体,腐蚀电流密度下降了一个数量级。与300℃沉积的纳米铬涂层相比,在500℃下沉积的纳米铬涂层的腐蚀电位更高,而腐蚀电流密度则仅为300℃沉积的铬涂层的1/3,表明基体温度为500℃时,不锈钢Cr镀层材料表现出更好的耐蚀性能。在腐蚀溶液中浸泡624h,Cr(500℃)仍能保持较好的化学稳定性。研究溅射电流(0.25A、0.35A和0.4A)对纳米Cr涂层形貌和性能的影响。三种溅射电流沉积的纳米铬涂层的形貌特征相似。与0.25A相比,溅射电流为0.35A和0.4A时,纳米铬涂层的更加致密。三种Cr涂层的腐蚀电流密度均比基体降低了2个数量级。在腐蚀溶液中浸泡Cr(0.35A)和Cr(0.4A)涂层均保持着较高的化学稳定性,表明涂层能更有效地抑制电解质溶液的渗透,赋予合金更好的耐蚀性能。采用磁控溅射方法在不同Ar/N_2流量比(6:5,6:6和6:8)下沉积了纳米CrN涂层,并对其组织结构与性能进行了分析。三种CrN涂层的晶粒尺寸均在20nm-40nm之间,且均呈现出三棱锥状的晶粒形貌。Ar/N_2流量比为6:5和6:8沉积的CrN表面存在明显的孔隙,在0.5mol/L H_2SO_4+2ppm F-中,涂层易于失效;相对而言,流量比为6:6时,CrN涂层更加均匀致密。在腐蚀溶液中,该CrN涂层的阻抗谱表现出扩散特征。在腐蚀溶液中浸泡672h后,涂层仍然保持较高的腐蚀电位,说明能够有效地抑制溶液中腐蚀性离子的侵入,对基体有很好的保护作用。
【关键词】:PEMFC 不锈钢双极板 纳米Cr涂层 纳米CrN涂层 磁控溅射 耐腐蚀性能
【学位授予单位】:长沙理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TG174.4;TM911.4
【目录】:
  • 摘要5-6
  • ABSTRACT6-10
  • 第一章 绪论10-19
  • 1.1 质子交换膜燃料电池的工作原理10-12
  • 1.2 PEMFC构成12-13
  • 1.3 双极板材料13-15
  • 1.3.1 石墨双极板13-14
  • 1.3.2 复合材料极板14
  • 1.3.3 金属双极板14-15
  • 1.4 金属双极板的表面改性15-16
  • 1.5 磁控溅射表面改性技术16-18
  • 1.6 主要研究内容18-19
  • 第二章 实验方法19-24
  • 2.1 实验材料19
  • 2.2 实验装置19-20
  • 2.3 试样制备20-21
  • 2.3.1 纳米Cr涂层的制备20-21
  • 2.3.2 纳米CrN涂层的制备21
  • 2.4 表征及测试方法21-24
  • 2.4.1 电化学测试方法21-22
  • 2.4.2 扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)22-23
  • 2.4.3 X射线衍射测试23-24
  • 第三章 316L不锈钢双极板表面磁控溅射纳米铬涂层的组织结构与性能24-46
  • 3.1 引言24-25
  • 3.2 基体温度对磁控溅射纳米Cr涂层组织结构与性能的影响25-37
  • 3.2.1 纳米Cr涂层的微观组织25-28
  • 3.2.2 纳米Cr涂层的腐蚀性能28-37
  • 3.3 溅射电流对磁控溅射纳米Cr涂层的组织结构与性能的影响37-44
  • 3.3.1 纳米Cr涂层微观组织37-39
  • 3.3.2 纳米Cr涂层腐蚀性能39-44
  • 3.4 本章小结44-46
  • 第四章 316L不锈钢双极板表面磁控溅射纳米CrN涂层的组织结构与性能46-58
  • 4.1 前言46-47
  • 4.2 纳米CrN涂层的微观组织47-48
  • 4.3 纳米CrN涂层的腐蚀性能48-57
  • 4.4 本章小结57-58
  • 第五章 结论与展望58-60
  • 5.1 结论58-59
  • 5.2 展望59-60
  • 参考文献60-65
  • 致谢65-66
  • 附录(攻读学位期间取得的学术成果)66

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