电泳沉积Y改性NiMn2O4尖晶石涂层制备及性能研究

摘要

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)因其绿色、环保、高效等特点而成为广大科研人员寻求解决全球环境污染与能源危机的重要突破口，并受到了越来越多的关注。但作为重要组件的Fe-Cr系合金连接体，在SOFC工作温度中易发生高温氧化，加剧 Cr挥发，造成“Cr中毒”的不良后果，使电池性能遭到极大破坏，目前主要采用在合金连接体表面施加保护涂层的方法来改善上述问题。在合金连接体保护涂层研究中，尖晶石类涂层因其良好的综合性能得到了广泛关注。但在电池高温氧化，特别是长时间复杂氧化过程中，随着时间的延长，涂层与基体间含Cr过渡氧化层的厚度仍会不断增长，不仅会使连接体导电性能降低，还易导致涂层与基体间结合力下降，使涂层剥落，造成电池失效。研究发现，在尖晶石涂层中掺杂稀土元素，可以在一定程度上减小含Cr过渡氧化层的厚度，增加涂层与基体的结合强度，显著提高基体的抗氧化性能和导电性能。但到目前为止，对于稀土元素在改善固体氧化物燃料电池合金连接体 Ni-Mn系尖晶石涂层保护性能方面的研究尚鲜有报道。
　　本文首先采用Sol-gel工艺获得结晶度良好的稀土Y改性NiMn2O4尖晶石粉体。在此基础上，采用低成本的电泳沉积工艺在SUS430铁素体不锈钢连接体表面成功制备出稀土Y改性NiMn2O4尖晶石保护涂层，并讨论了稀土掺杂对涂层物相、组织、形貌和高温性能的影响规律和相关作用机理。得出如下主要结论：
　　1、稀土元素掺杂量在0.5 mol·L-1时，稀土Y改性NiMn2O4尖晶石粉体物相结构稳定，结晶度良好；以乙酰丙酮为液基，尖晶石粉末装载量为30 g·L-1，核电调节剂浓度为0.8 mmol·L-1时可以获得长时间稳定性较好的悬浮液；
　　2、当采用沉积工艺为沉积电压100 V，沉积时间360 s，在75℃下干燥24 h后，并在还原气氛炉中先经800℃煅烧2 h，再在空气气氛中经1000℃煅烧2 h后，可在基体表面制备出尖晶石材料覆盖均匀、沉积层表面平整光滑，厚度约3～4μm均匀致密的Y改性NiMn2O4尖晶石保护涂层，涂层与基体之间实现良好的冶金结合，涂层质量较高；
　　3、稀土元素可有效细化晶粒，改善涂层组织结构微观致密度，使涂层与基体结合更加紧密。施加Y改性NiMn2O4涂层后合金经高温氧化后的氧化速率常数为1.02×10-15 g2·cm-4·s-1，仅为未添加涂层保护试样的1/9；Y改性NiMn2O4涂层保护试样高温氧化过程中的ASR值也基本稳定在14.3 mΩ·cm2，要明显低于未改性时的15.2 mΩ·cm2。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 SOFC工作原理与结构、组件

1.3 SOFC合金连接体材料研究

1.4 SOFC合金连接体保护涂层研究概述

1.5 选题意义及研究内容

第二章 实验内容与方法

2.1 实验原料与设备

2.2 实验技术路线

2.3 电泳沉积实验简介

2.4 形貌结构表征与性能测试

第三章 悬浮液稳定性工艺研究

3.1 稀土掺杂尖晶石陶瓷粉体原料的制备

3.2 稀土元素Y对尖晶石粉体组织结构的影响研究

3.3 悬浮液稳定性研究

3.4 本章小结

第四章 稀土Y改性NiMn2O4尖晶石涂层制备工艺优化

4.1 电泳沉积工艺优化研究

4.2 干燥工艺优化研究

4.3 烧结工艺优化研究

4.4 本章小结

第五章 稀土Y改性NiMn2O4尖晶石涂层性能研究

5.1 稀土改性掺杂对NiMn2O4尖晶石涂层形貌及组织结构影响研究

5.2 稀土改性掺杂对NiMn2O4尖晶石涂层保护合金高温氧化行为影响研究

5.3 稀土改性掺杂对NiMn2O4尖晶石涂层保护合金高温导电行为影响研究

5.4 稀土改性NiMn2O4尖晶石涂层对合金连接体作用机理分析研究

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间主要研究成果

致谢