质子交换膜燃料电池金属双极板表面改性研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFC)在缓解全球能源危机和解决环保难题方面提供了创新性的解决方案。在PEMFC中,双极板作为关键组件备受关注。其中,金属双极板因其成本低廉、材料容易获取、导电性能卓越以及易于机械加工而备受关注。然而,金属双极板目前仍然面临耐久性和导电性方面的挑战。为解决这些问题,通常采用表面改性涂层的方法对金属双极板进行处理。综述了近年来关于金属双极板表面改性涂层的研究进展,涵盖了材料设计、沉积工艺和涂层性能等多个方面。在此基础上,基于导电性、耐蚀性、膜基结合力以及疏水性等测试结果,分析了不同涂层对金属双极板表面改性效果的影响。同时,展望了各种类型改性涂层未来的研究趋势。这些研究成果为改善金属双极板的性能、进一步推动PEMFC表面改性技术的发展提供了有益的指导和启示。

元素掺杂类金刚石碳膜降内应力研究综述

我国汽车行业与国际同行的差距主要在于发动机关键零部件的摩擦磨损。类金刚石(DLC)碳膜技术是解决发动机关键零部件摩擦磨损问题的有效途径,但传统的DLC碳膜在制备过程中会产生较高的内应力(可达10GPa),从而导致薄膜失效。首先分析了DLC碳膜在汽车零部件领域的应用背景,探讨了薄膜内应力的来源,重点综述了异质元素掺杂降低类金刚石碳膜内应力的研究现状。常用掺杂元素按化学性质可分为碳化物形成元素与非碳化物形成元素,不同于其他分类方法,笔者按掺杂元素的组元多少进行划分,从单元掺杂、二元或多元掺杂入手,系统分析了各种掺杂方式、掺杂元素的优缺点。在此基础上,指出元素掺杂降低类金刚石碳膜内应力的研究从最初的单一元素掺杂,逐步发展到了二元或多元元素掺杂;从碳化物形成元素掺杂、非碳化物形成元素掺杂,逐步发展到碳化物形成元素与非碳化物形成元素的多元共掺杂;所研究的类金刚石碳膜的显微结构也从最初的非晶态结构向多元、多相结构发展,以期获得良好的综合机械性能。

抗固体粒子冲蚀物理气相沉积涂层的研究进展

压气机是航空发动机核心部件之一,其叶片常用钛合金制成。但钛合金本身质地较软,抗击固体粒子冲蚀能力较弱,空气中固体粒子在高速气流作用下将对压气机前级叶片造成严重冲蚀,从结构及航空动力学上降低发动机性能。同时,也使得发动机的寿命大幅下降。为提高压气机叶片的抗固体粒子冲蚀能力,通常在叶片上沉积具有一定硬度和韧性的抗冲蚀涂层。本文综述了国内外近年来抗固体粒子冲蚀物理气相沉积涂层的研究进展。指出多组元、多层膜结构涂层在拥有较高硬度的同时,可以获得较高韧性,具有良好的综合机械性能,是抗冲蚀涂层的理想选择。

硬质陶瓷涂层增韧及其评估研究进展

硬质陶瓷涂层一般硬度高,但韧性差,在受到较大外加冲击荷载作用时容易产生裂纹并引发失效,从而限制了硬质涂层在工程领域的应用。硬质涂层的增韧研究是当前硬质涂层研究的热点之一。常见硬质涂层增韧方法中,有些是以降低硬度为代价来提高涂层韧性,比如第二相增韧;有些是通过优化涂层结构设计,减小缺陷尺寸,在不损失涂层高硬度的前提下,提高韧性,获得兼具高硬度和高韧性的涂层;有些是通过相变(晶体结构转变)提高涂层的韧性。通过优化涂层结构设计,改变涂层晶粒尺寸、晶界尺寸与复杂程度等,使涂层致密化,从而提高涂层硬度与韧性,从而获得增韧效果,成为研究者越来越关注的焦点。单一增韧方法的局限性,可以通过多种增韧方法协同作用获得突破,协同增韧已成为硬质涂层增韧发展的趋势。目前硬质涂层的韧性评估还没有一个公认的方法,从简单实用出发,常用的有微悬臂梁弯曲法、划痕法和压痕法。

镀锡钢板铬酸盐钝化膜的X射线光电子谱分析

使用X射线光电子能谱(XPS)全元素扫描分析方法对镀锡钢板铬酸盐钝化膜的成分进行了分析研究.结果表明,组成钝化膜的主要元素为Cr,O,Sn和C.通过Ar+溅射对钝化膜进行深度剖析表明,C元素来自于表面的污染而不是膜层本身;Cr和O元素随着Ar+溅射的进行含量逐渐降低,而Sn元素的含量却逐渐增加.溅射约360 s后,Sn元素的含量已达到了80%以上,此时所对应的钝化膜的厚度约为20 nm.通过窄幅扫描对钝化膜的相组成进行了分析,结果表明钝化膜主要由Cr(OH)3,Cr2O3,Sn及其氧化物构成.

Zr掺杂类金刚石薄膜摩擦性能及耐腐蚀性能的影响

目的改善不锈钢摩擦性能及耐腐蚀性能。方法通过线性阳极层离子源辅助非平衡磁控溅射法,制备了不同Zr含量的类金刚石(DLC)薄膜,采用扫描电子显微镜、拉曼光谱仪、纳米硬度仪、高温销盘磨损仪、电化学工作站,对薄膜的化学成分、显微结构、纳米硬度、薄膜摩擦性能及耐腐蚀性能进行测试研究。结果随着Zr靶功率的增大,Zr含量线性增加。Zr含量从4.9%增加至16.3%时,I_D/I_G增大,薄膜硬度从12.1 GPa逐渐下降至8.4 GPa;Zr含量增大至21.2%时,I_D/I_G减小,薄膜硬度增大至11.4 GPa。涂镀类金刚石薄膜的不锈钢基体比无涂层的不锈钢基体有更低的摩擦系数,更好的耐磨损性能。Zr掺杂DLC薄膜的最小摩擦系数为0.07。Zr含量从4.9%增加至16.3%,DLC薄膜的耐腐蚀性能减弱;Zr含量继续增加,DLC薄膜的耐腐蚀性能增强。当Zr含量不大于11.9%时,沉积Zr掺杂DLC膜的不锈钢基体的耐腐蚀性能比不锈钢基体的更强。结论 Zr含量不大于11.9%时,Zr掺杂类金刚石薄膜既可以有效地改善不锈钢基体的摩擦磨损性能,又可以大幅提高耐腐蚀性能。

调制周期对CrAlN/ZrN纳米多层膜韧性的影响

目的研究调制周期对纳米多层膜性能的影响。方法采用磁控溅射方法制备了CrAlN与ZrN的固定厚度比为2.6,不同调制周期(Λ为6,8,10,20 nm)的CrAlN/ZrN纳米多层膜。利用场发射扫描电镜(FESEM)表征薄膜的形貌、结构。用Dektak150型台阶仪测薄膜表面粗糙度。用Agilent Technologies G200纳米压痕仪检测涂层的硬度和弹性模量。用划痕仪测薄膜/基材的结合力,同时,引入抗裂纹扩展系数(CPR)表征纳米多层膜的韧性。结果 CrAlN/ZrN纳米多层膜断面皆为穿晶柱状结构,调制周期为20 nm时,多层膜层与层之间的界面清晰;多层膜表面呈致密的花椰菜状,厚度均约为2μm。调制周期为8 nm时,硬度为20.4 GPa,进一步增大调制周期,硬度下降。调制周期为8 nm的多层膜临界载荷L_(c2)为18 N,CPR值为73.2,L_(c2)与CPR值均高于其他调制周期的多层膜。在临界载荷L_(c2)处,裂纹扩展导致薄膜发生了严重的片状剥落,露出了亮白的热轧钢基底,薄膜失去了保护作用。结论实验表明,在多层膜厚度、调制比不变的条件下,改变调制周期能够改变多层膜的韧性。随着调制周期的增大,韧性呈先上升、后下降的趋势。调制周期为8 nm时,纳米多层膜的硬度最高,韧性最好,综合性能良好。

TC4钛合金表面沉积CrSiN/SiN纳米多层膜在3.5%NaCl溶液中的腐蚀磨损性能

为了研究纳米多层膜的耐腐蚀性能以及腐蚀磨损机理,采用离子源辅助磁控溅射在TC4钛合金表面制备不同调制周期的CrSiN/SiN纳米多层膜。使用扫描电子显微电镜、能谱仪表征涂层的微观结构、腐蚀形貌以及元素分布;使用划痕仪、纳米压痕仪、维氏硬度计测量涂层的膜基结合力、硬度、弹性模量及断裂韧性,采用电化学工作站以及销盘磨损仪测量涂层耐腐蚀性和腐蚀磨损性。结果表明:调制周期为90 nm与360 nm时涂层耐腐蚀性能较好,腐蚀电流密度分别为1.31×10^(-8)A·cm^(-2)和1.20×10^(-8)A·cm^(-2)。此外,调制周期为45nm时,涂层硬度及弹性模量最大,分别为(22.5±0.6)GPa和(226.4±6.3)GPa,且腐蚀磨损率最低,为9.67×10^(-7)mm^3·N^(-1)·m^(-1)。多层膜结构显著改善了TC4钛合金的耐腐蚀及腐蚀磨损性能。

离子源循环轰击对磁控溅射TiN薄膜结构和电学性能的影响

为研究离子源循环轰击对薄膜结构和电学性能的影响,通过离子源轰击辅助直流磁控溅射在200℃下沉积不同循环周期Ti N薄膜,采用场发射扫描电镜、原子力显微镜、X射线衍射仪表征薄膜表面形貌及组织结构。采用纳米压痕仪检测涂层的硬度和弹性模量。采用双电测四探针电阻仪测试室温下薄膜的电学性能。结果表明:离子源轰击在薄膜中形成了分层结构,膜层更加致密光滑,平均粗糙度由5.2 nm下降为2.7 nm。随着离子源循环轰击周期增加薄膜结晶性增强,并且当离子源循环轰击周期为3次时出现了Ti N(200)峰,薄膜硬度和弹性模量提高。当经过2次离子源循环轰击时薄膜电阻值最低为8.1μΩ·cm。

偏压对离子源辅助Hi PIMS制备纳米TiN薄膜力学性能和耐蚀性能的影响

为提高磁控溅射制备薄膜的致密度,减少结构缺陷,研究薄膜显微结构对硬度、韧性及耐蚀性能的影响,尝试在改变离子源和基材偏压的条件下,采用离子源辅助HiPMIS技术在304不锈钢和P型(100)晶向硅片上制备TiN纳米薄膜。采用扫描电子显微镜、小角X射线衍射仪对薄膜的形貌和晶体结构进行分析;采用纳米压痕仪和维氏硬度计分别测量计算薄膜的硬度和韧性,并通过电化学工作站对薄膜的耐蚀性能进行检测。结果表明:随着偏压的增加以及离子源的引入,离子的轰击效应增强,薄膜的沉积速率下降,致密度增加。偏压为-200 V时,薄膜的硬度达到最大值16.2 GPa,且对应的晶粒尺寸最小,(111)晶面衍射峰的强度最高。离子源的加入使所制备薄膜的硬度略有下降。此外,随着偏压的增加,薄膜的韧性和耐腐蚀性能也有一定提高。

铬掺杂碳基自润滑薄膜与铝合金的高温磨损机理

为了研究不同结构铬掺杂碳基薄膜在高温下与铝合金的磨损机理,采用非平衡磁控溅射在YT15刀具表面沉积Cr/CrC/DLC单周期和Cr/(CrC-DLC)_n多周期多层膜,在24、200和400℃下与A319和A390铝合金进行摩擦试验。采用扫描电子显微镜、原子力显微镜、纳米压痕仪、拉曼光谱仪、销盘磨损仪对薄膜的形貌结构、力学和摩擦学性能进行测试。研究表明:多周期多层膜结构打断薄膜柱状生长,提高膜基结合力。两种薄膜表面粗糙度和硬度分别为4.3 nm和5.4 nm、9.8 GPa和9.0 GPa。磨球表面转移层由硅、石墨以及剥落的薄膜碎片组成,连续的转移层降低摩擦因数;但随着温度升高,转移层的连续性被破坏,导致摩擦因数升高。在高温摩擦过程中,多周期多层膜磨损逐渐释放出DLC子膜层,通过DLC子膜层的石墨化转变来保持低摩擦因数,提高薄膜寿命。薄膜磨损由室温的磨料磨损转变为高温的粘着磨损和犁沟磨损,其中由于A390含有初晶硅使磨损以犁沟磨损为主。

火电厂球磨机料位监控与制粉系统优化运行技术的应用

为了解决电厂球磨机制粉系统在安全稳定运行、自动调节与文明生产等方面存在的问题,提高该系统的经济效益,通过对影响制粉系统经济效益因素及主要提高途径的分析讨论,对球磨机料位监控与制粉系统进行了设备改造和性能优化,在华能榆社发电有限责任公司2#炉2#制粉系统的运行效果表明,技术改造较为理想,可为同类型设备改造提供借鉴。

Fe82Nb6B12合金表面纳米多孔结构的形成及电催化析氢性能的研究

目的增加条带表面积,提高电催化析氢活性。方法采用真空激冷装置制备Fe82Nb6B12前驱体条带,通过控制铜辊转速得到α-Fe纳米晶/非晶双相结构。利用α-Fe纳米晶与非晶基体在0.5 mol/L H2SO4溶液中腐蚀性能的差异,通过脱合金法得到非晶纳米多孔结构。使用XRD、DSC、SEM、EDS等表征手段以及电化学测试方法,研究铜辊转速、脱合金时间对物相、成分、形貌及电催化析氢性能的影响。结果 1kr/min样品完全晶化,23 kr/min样品为α-Fe纳米晶/非晶双相合金,且随着铜辊转速增大,前驱体条带中α-Fe纳米晶含量减少。脱合金后成功制备了非晶纳米多孔结构,铜辊转速越大,孔径越小,比表面积越小。4 kr/min样品为非晶态,脱合金后没有得到多孔结构。2 kr/min多孔结构的析氢性能最好,在电流密度为10 mA/cm2时的过电位为220 mV,塔菲尔斜率为105 mV/dec。结论采用甩带法可以制备具有α-Fe纳米晶/非晶双相结构的Fe82Nb6B12合金。通过α-Fe纳米晶的选择性腐蚀,在条带表面得到纳米多孔结构,条带比表面积显著改善,从而提高了其析氢性能。

钨与钒掺杂类金刚石薄膜的温度适应摩擦磨损机制研究

通过非平衡磁控溅射技术,改变沉积工艺参数,在不锈钢及单晶硅基体上制备未掺杂、钨(W)掺杂以及钒(V)掺杂类金刚石(DLC)薄膜。采用拉曼光谱,纳米压痕法对薄膜结构和力学性能进行表征。在室温、250℃、500℃进行磨损实验,研究其不同温度范围的摩擦磨损性能。研究结果表明:适量掺杂W元素,可显著地提高W-DLC膜力学与摩擦性能,在W靶电流为0.6A条件下,W-DLC膜具有最优的综合性能,纳米硬度和弹性模量分别为11.11GPa和169.25GPa,其中在250℃条件下摩擦系数低至0.044,室温磨损率为1.27×10-7 mm^3/Nm,但W-DLC薄膜难以适应高温;适量掺杂V元素,可以显著提高V-DLC膜的纳米硬度和弹性模量,并能改善高温摩擦性能,在V靶功率为1.2kW条件下,V-DLC薄膜的纳米硬度和弹性模量分别为37.36GPa和379.89GPa,其中在500℃高温摩擦条件下,V-DLC薄膜的摩擦系数最低为0.35。

3～5μm红外窗口增透涂层的制备与性能研究

利用直流非平衡磁控溅射技术,在100℃条件下,在单晶硅上制备了具有红外增透效果的类金刚石薄膜,研究了偏压对薄膜结构、机械性能和红外光学性能的影响,解释了薄膜结构与性能之间的关系。利用场发射扫描电镜(FESEM)、Dektak150型台阶仪、Raman光谱仪、纳米压痕仪、椭偏仪和傅里叶红外吸收光谱仪表征薄膜形貌、结构、硬度、折射率和红外光学性能。实验结果表明:在偏压为-100 V时,薄膜中sp3相含量最高,得到最大的纳米硬度14.8 GPa和最大折射率2.36,此时透光率为67.3%;在偏压为-200 V时,薄膜硬度为11.2 GPa,薄膜的折射率为2.06,最接近零反射膜所需折射率,此时透过率最大。

超声气体雾化生产的热喷涂用自熔合金粉末

介绍了哈尔滨焊接研究所使用的超声气体雾化制粉设备及其产品特点、种类。

PVD导热涂层的研究综述

首先从导热涂层的应用背景出发,分析了导热涂层研究的必要性,其次探讨了导热涂层的导热机理和影响涂层导热的宏观和微观因素。在此基础上,阐述了PVD导热涂层的研究现状,重点分析了Si C、AlN、DLC三种常见的具有较大应用潜力的PVD导热涂层。声子散射是影响涂层热导率的直接原因,涂层内部同位素、杂质、缺陷及晶界等均会引起声子发生散射,而界面声子散射引起的界面热阻对涂层导热性能影响巨大,通过合理选择制备技术和精确控制工艺参数,在一定程度上能改善涂层的导热性能,提高热导率。在此基础上,笔者提出了离子源辅助高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)的工艺配合,提高涂层质量和致密度,优化界面结构,降低界面热阻,以期实现涂层的高导热性能。

薄膜微桥拉伸法基体梯度裂纹的制备及其稳态扩展

16 mm×32 mm单晶硅片基体紧凑拉伸测试样品上尖锐裂纹的可控制备,及其在拉伸载荷作用下的稳态扩展,是微桥法薄膜断裂韧性测试得以实现的关键。相较于紫外激光切割,采用红外激光切割方法在基体背面制备出锯齿状的背槽,并通过控制位移加载步幅和球形压头均衡加载,实现了三点弯曲法基体尖锐裂纹的可控制备。该基体裂纹具有梯度形貌特征,对加载过程中的"载荷-位移"曲线以及表面裂纹扩展过程进行了考察,揭示了梯度形貌对裂纹失稳扩展的抑制作用。基体尖锐裂纹的可控制备及其在拉伸测试中的稳态扩展,为微桥法的标准化测试奠定了基础。

气体雾化喷嘴及影响因素

气体雾化制粉是借助高速气流冲击破碎金属或合金液流,将液流破碎成微小液滴(其尺寸小于160μm)的制粉方法。气体雾化制粉是一种经济、有效的制粉技术,适用于生产锡、铅、铜、银、镍等多种金属粉末以及黄铜、青铜、不锈钢、合金钢、铁基、镍基、钴基等合金粉末。气体雾化法制取的金属或合金粉末通常为球形或椭球形,粉末细小,含氧量低,因此不仅为粉末冶金工业提供优质的原料,也为粉末的其他相关行业,如喷涂、喷焊、焊料等行业提供优质的金属及合金粉末。 雾化的全过程极其复杂。

钛合金表面等离子喷涂Al_(2)O_(3)-40%TiO_(2)陶瓷涂层的高温摩擦磨损性能

目的研究温度对钛合金表面Al_(2)O_(3)-40%TiO_(2)陶瓷涂层摩擦磨损性能的影响,探讨涂层在高温下的摩擦磨损机理。方法采用大气等离子喷涂技术(APS)在TC4钛合金表面制备Al_(2)O_(3)-40%TiO_(2)(AT40)陶瓷涂层。采用扫描电子显微镜(SEM)和能量分散谱仪(EDS),对AT40陶瓷涂层中的微观形貌和物相进行定性分析。借助维氏显微硬度计,研究AT40陶瓷涂层在常温下的截面显微硬度分布规律,以及高温下的显微硬度。采用多功能摩擦磨损试验机,测试AT40陶瓷涂层在200、350、500℃下的摩擦磨损性能,并进行原位在线自动3D形貌表征。结果AT40陶瓷涂层呈典型的热喷涂层状结构,各相分布均匀,涂层结构致密,平均显微硬度相较于TC4钛合金基材提高了81%。AT40陶瓷涂层在200、350、500℃下的高温硬度分别为513HV0.3、463HV0.3、448HV0.3。在200、350℃时,AT40陶瓷涂层的平均摩擦系数分别为0.18±0.02和0.38±0.03,磨损率分别为(7.8±0.01)×10^(–5)mm^(3)/(N·m)和(37.2±0.01)×10^(–5)mm^(3)/(N·m),涂层具有优异的抗高温摩擦磨损性能。500℃时,涂层的平均摩擦系数和磨损率分别为0.77±0.02和(134.4±0.01)×10^(–5)mm^(3)/(N·m),磨痕深度和磨损体积大幅增加,耐磨性能降低。结论AT40陶瓷涂层在200℃和350℃的磨损机制主要为微区脆性断裂,在500℃时的磨损机制表现为裂纹扩展引起的分层剥落和轻微磨料磨损。