不锈钢双极板表面纳米Cr及CrN涂层的制备与性能研究

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 H2SO4+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/N2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/N2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 H2SO4+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。

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第一章 绪论

1.1质子交换膜燃料电池的工作原理

1.2 PEMFC构成

1.3 双极板材料

1.4金属双极板的表面改性

1.5 磁控溅射表面改性技术

1.6主要研究内容

第二章 实验方法

2.1 实验材料

2.2 实验装置

2.3 试样制备

2.4 表征及测试方法

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

3.1 引言

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

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

3.3 本章小结

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

4.1前言

4.2 纳米CrN涂层的微观组织

4.3纳米CrN涂层的腐蚀性能

4.4本章小结

第五章 结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

致谢

附录（攻读学位期间取得的学术成果）