不锈钢表面沉积Cr2N及其耐腐蚀性和导电性能的研究

摘要

不锈钢基金属双极板是质子交换膜燃料电池技术发展的研究热点。本文利用等离子体磁控溅射工艺,在304不锈钢表面沉积了致密均匀的Cr2N镀层材料。运用XRD、AES、SEM、接触电阻测试和动电位极化曲线测试等对制备的镀层材料的结构成分、表面截面形貌、在PEMFC环境下的导电性能和耐腐性性能等进行了测试和表征。考察了氮气流量、沉积温度和沉积时间等磁控溅射工艺条件对Cr2N镀层结构和性能的影响,并与未处理的不锈钢和不锈钢表面Cr层材料进行了对比和分析。
　　XRD测试和AES测试表明,不锈钢表面镀层中主要含有Cr2N晶相成分。SEM测试表明,不锈钢镀Cr2N层材料表面比未处理的不锈钢和不锈钢镀Cr层材料更加平整致密。接触电阻测试表明,经过镀Cr2N层后的不锈钢双极板界面导电性能良好,在模拟质子交换膜燃料电池(PEMFC)组装压力下,界面接触电阻与未镀层相比降低了约70％。动电位极化曲线测试表明,双极板的耐腐蚀性能也有显著的增强:在模拟PEMFC环境中,腐蚀电位提高了约300mV,腐蚀电流降低了约1个数量级。
　　适当增加氮气流量、提高沉积温度和增加沉积时间有利于提高样品在PEMFC环境中的导电性能和耐腐蚀性能。综合考虑磁控溅射工艺条件对不锈钢表面Cr2N层性能影响,在氮气流量1.5sccm,沉积温度300oC,沉积时间60min的条件下制备出的镀Cr2N层材料的导电性能和耐腐蚀性能最好。

目录

摘 要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 燃料电池的分类

1.3 质子交换膜燃料电池及其工作原理

1.4 质子交换膜燃料电池双极板的功能及性能要求

1.5 双极板的种类及研究现状

1.6 铁基金属双极板材料性能的研究现状

1.7 铁基金属双极板材料的表面改性的研究现状

1.8 课题研究的意义和内容

第2章 实验材料和实验方法

2.1 实验药品与仪器

2.2 磁控溅射技术及其原理

2.3 不锈钢表面镀层的制备

2.4 不锈钢表面镀层的表征方法

第3章 不锈钢表面Cr层和Cr2N层的导电性和耐蚀性

3.1 不锈钢在PEMFC环境中的导电性能和耐腐蚀性能

3.2 不锈钢镀Cr层在PEMFC环境中的导电性能和耐腐蚀性能

3.3 不锈钢镀Cr2N层在PEMFC环境中的导电性能和耐腐蚀性能

3.4 小结

第4章 磁控溅射工艺条件对Cr2N层性能影响研究

4.1 氮气流量对Cr2N层导电性能和耐腐蚀性能的影响

4.2 沉积温度对Cr2N层导电性能和耐腐蚀性能的影响

4.3 沉积时间对Cr2N层导电性能和耐腐蚀性能的影响

4.4 小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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致谢