高能微弧合金化Co-Mn复合氧化物涂层在SOFC连接体上的应用及性能分析

摘要

随着全球能源需求日益增加，可替代能源技术成为了研究热点，如燃料电池。固体氧化物燃料电池（SOFC）的优点有能量转化效率高、污染低及燃料适应性广，并且既可以应用在移动电源上也可以应用在固定电站中。较高的材料成本及有限的使用寿命仍然阻碍着SOFC的广泛使用。
　　为了产生足够大的电压，人们使用连接板将平面SOFC连接成电池堆。连接板既分隔又连接每一个电池单体，其作用为分离气流和导通电流。对于工作在800℃以下的SOFC，金属合金被选择作为连接板材料，尤其是铁素体不锈钢。为了提高表面导电性能并显著降低不锈钢中Cr的挥发，人们开始探究陶瓷涂层。另外，涂层的热膨胀系数必须与电池其他组件相匹配，并且与电极与密封材料相兼容。当前，最具潜力的涂层为(Co,Mn)3O4尖晶石，该涂层已通过各种技术被制得，并且厚度、成分及微观结构都有所差异。
　　本文首先采用高能微弧合金化技术（HEMAA）在304SS表面制备Co-10Mn、Co-40Mn、Co-10Mn/Co、Co-40Mn/Co、Co-8Mn-2Dy/Co、Co-38Mn-2Dy/Co涂层，然后在800℃空气中预氧化2h制得尖晶石保护层，最后研究了涂层在800℃空气中及空气-10H2O中的氧化行为。主要研究结果如下：
　　通过反复试验优化获得最佳沉积参数，并分析了各参数对沉积增重的影响。SEM显示单沉积点形貌为中心凹陷边缘凸起的泼溅状，沉积层为沉积点无数次反复堆叠而成。沉积层XRD结果为立方结构的Co晶体。结合截面形貌及EDS分析得出Mn以条状或块状分布在Co金属中。通过反复试验优化获得最佳预氧化参数，氧化温度过高涂层剥落严重，氧化时间不足涂层不够致密；分别探讨了Co过渡层、不同CoMn比例及稀土元素Dy对涂层预氧化结果的影响。添加Co过渡层是表面涂层中的基体元素含量降低，最重要的是减少表面涂层与基体热膨胀系数之间的差异。沉积层中Mn浓度过高会生成富锰氧化物，使涂层抗剥落性能降低。稀土元素Dy可以提高涂层的粘附性能并阻止氧向内扩散。
　　高温测试阶段，测得了各涂层及基体的氧化动力学曲线，发现氧化初期涂层增重速率比基体的快，说明涂层氧化生成了尖晶石保护层。随着氧化时间进一步增加，氧化增重逐渐变缓，最后停止，说明此时涂层具有良好的抗氧化性能。在SOFC阴极环境模拟测试，发现涂层在潮湿的空气中的粘附性比在干燥空气中好，预氧化处理可以提高涂层的抗腐蚀能力。

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第1章 绪 论

1.1 固体氧化物燃料电池简介

1.2 SOFC连接板材料

1.3高能微弧合金化技术

1.4 涂层对合金抗氧化性的影响

1.5论文研究背景、内容及意义

第2章 实验设计

2.1实验材料及设备

2.2制备尖晶石涂层

2.3涂层性能测试

2.4形貌、成分及物相分析

第3章 电火花沉积参数对Co-10Mn、Co-40Mn涂层的影响

3.1 实验方法

3.2电火花沉积参数对沉积增重的影响

3.3 强化点的形成过程

3.4强化层的形成过程

3.5本章小结

第4章 钴锰尖晶石涂层的制备

4.1 实验方法

4.2 Co-10Mn系列涂层预氧化结果

4.3 Co-40Mn系列涂层预氧化结果

4.4 本章小结

第5章 涂层抗氧化性能测试

5.1 实验方法

5.2 涂层在800℃空气下的氧化行为

5.3 涂层在800℃空气-10%水蒸气中的腐蚀行为

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢