基于弓网电接触界面电阻模型的受流质量研究

接触电阻是衡量弓网受流质量可靠性的重要指标,在机车运行过程中,希望弓网接触表面具有较小而稳定的接触电阻.依据弓网电接触界面的微观电阻特性,详细分析了影响弓网受流质量的接触面积及接触斑点数,建立了量化电接触界面电阻的表面特征统计模型.试验结果表明,该分析方法是可行且有效的.

超声-电阻复合焊接方法及界面行为

有色金属微型零件超声焊接时,由于焊头面积小,输入焊接区域能量少,界面有效连接面积不足,影响焊接接头的力学性能.针对这一问题,结合超声焊接与电阻焊的特点,研制了超声-电阻复合焊接系统.对铜、铝异种金属进行了超声-电阻复合焊接工艺试验,并与相同工艺条件下的超声焊接进行了对比.结果表明,电流对超声能的输出有促进作用,使换能器的峰值功率有明显的增加;超声使焊接起始阶段界面接触电阻迅速减小并消失;在复合能量的作用下,输入焊接区域总能量有较大提高,焊接区域温度和加热速率显著增加.

表面修饰工程协同优化Bi_(2)Te_(3)基微型热电器件的界面性能

热电器件微型化对组成热电元件的界面性能提出了更高要求,获得低的界面接触电阻率和高的界面结合强度的异质结合界面,是成功制备高性能、高可靠性Bi_(2)Te_(3)基微型热电器件的前提条件.本研究采用酸洗方法对Bi_(0.4)Sb_(1.6)Te_(3)材料进行表面修饰,实现了Bi_(0.4)Sb_(1.6)Te_(3)Te3/Ni热电元件界面性能的协同优化.酸洗过程有效调控了Bi_(0.4)Sb_(1.6)Te_(3)材料的表面功函数,显著降低了Ni层与Bi_(0.4)Sb_(1.6)Te_(3)Te_(3)材料间的接触势垒,从未酸洗处理的0.22 eV降至0.02 eV,势垒的降低使界面接触电阻率从未酸洗处理的14.2μΩ·cm~2大幅降至0.22μΩ·cm~2.此外,酸洗过程还能有效调控基体表面粗糙度,在基体表面形成2—5μm的V型凹坑,产生钉扎效应,极大地增强了材料表面与Ni层的物理结合,与约50 nm厚Bi_(0.4)Sb_(1.6)Te_(3)界面扩散反应区形成的冶金结合共同作用,使界面结合强度从未酸洗处理的7.14 MPa大幅增至22.34 MPa.这种优异的界面性能在微型热电器件中得到了进一步证实,采用该工艺处理后热电元件制备的4.7×4.9 mm~2微型热电器件,在热面温度300 K下的最大制冷温差达到56.5 K,在10 K温差下最大输出功率达到882μW.该研究为实现界面性能的协同优化提供了一种新策略,并为微型热电器件的性能优化开辟了新途径.

n型B_(i2)Te_(3)基材料表面处理对热电单元性能的影响

Bi_(2)Te_(3)基微型热电器件的尺寸越小,界面结合强度及接触电阻对于器件力学性能、开路电压以及输出功率等的影响就越显著。因此开发成本低、工艺简单的热电单元制备技术,并使n型Bi_(2)Te_(3)基块体材料与阻挡层间的界面兼具低接触电阻、高结合强度具有重要意义。本工作将n型Bi_(2)Te_(3)基热电材料薄片在混合酸溶液(pH~3)中进行表面处理,随后进行化学镀Ni(5μm),再与Cu电极焊接制备得到热电单元。腐蚀后,n型Bi_(2)Te_(3)基热电材料表面大的沟壑与Ni阻挡层间形成锚固效应,腐蚀6 min的材料结合强度高达15.88 MPa。大沟壑表面进一步腐蚀后出现的精细分支与Ni阻挡层间形成纳米孔洞,显著增大了界面接触电阻,腐蚀2 min的材料达到2.23Ω·cm^(2)。最终,腐蚀4 min后镀Ni的n型Bi_(2)Te_(3)基热电片材与p型Bi_(2)Te_(3)基热电片材制备的微型热电器件在20 K温差(高温端306 K,低温端286 K)下的输出功率高达3.43 mW,相较于商用电镀镀层制备的同尺寸器件提升了31.92%。本工作将为微型热电器件的性能优化提供支撑。

钛双极板表面碳掺杂氮化钛耐腐蚀涂层制备

为改善钛双极板在质子交换膜(PEM)水电解槽环境中的耐腐蚀性能和导电性能,采用电泳沉积-热处理两步法在钛基底表面制备碳掺杂氮化钛(C-TiN)复合保护涂层,并在0.5 mol/L的H_(2)SO_(4)和5 mg/L的F-溶液中模拟PEM水电解槽阳极环境测试其电化学腐蚀性。结果表明,电泳沉积及热处理改善了氮化钛纳米颗粒的连通性,增强了涂层与衬底的粘附力,实现了电子在电活性材料中快速传递。400℃下制备的碳掺杂氮化钛涂层(C-TiN-400℃),其导电性与耐蚀性均得到明显提升;相比于未处理的样品,镀有C-TiN-400℃涂层的样品在146.3 N/cm^(2)压力下的接触电阻可达到2.25 mΩ·cm^(2)。

质子交换膜燃料电池双极板用不锈钢的聚苯胺涂层改性

将苯胺单体滴加到硫酸溶液中配制成电解液,采用恒电流法在304不锈钢板表面沉积聚苯胺涂层,通过动电位极化和恒电位极化分析不锈钢板的防腐性能,利用自制的导电性能测试设备分析涂层与不锈钢板的界面接触电阻,探讨聚苯胺涂层用于质子交换膜燃料电池双极板改性的可能性。结果表明,在优化工艺条件下制备的聚苯胺涂层的腐蚀电位和腐蚀电流密度分别为369 mV和0.479μA/cm2,与裸钢相比,腐蚀电位升高536 mV,腐蚀电流密度降低4个数量级。模拟质子交换膜燃料电池的实际工作环境进行恒电位极化曲线测试,分析测试后的溶液离子含量。结果表明,涂层改性不锈钢板的腐蚀电流密度比裸钢低2个数量级,具有很好的耐久性;阳极环境比阴极环境具有更强的腐蚀性。恒电位极化测试前,压力为1.4 MPa时,裸钢和涂层试样的界面接触电阻分别为97和145 mΩ·cm2,腐蚀后涂层试样的界面接触电阻比裸钢的低更多。用聚苯胺改性的不锈钢的防腐和导电性能在一定程度上都能达到目标值,在质子交换膜燃料电池双极板中具有很大的应用潜力。

两种不锈钢在PEMFC环境下的耐蚀性

用电化学方法测定了一种高Cr、Ni奥氏体不锈钢和316L在25℃和70℃时含2×10-6F-的H2SO4水溶液中的极化曲线,评价了氧化膜/碳纸和钝化膜/碳纸间的界面接触电阻。结果表明,在质子交换膜燃料电池(PEMFC)环境中,高Cr、Ni奥氏体不锈钢的耐腐蚀性优于316L,在两种介质温度下其钝化电流密度均低于10mA/cm2。钝化膜/碳纸的界面接触电阻明显比氧化膜/碳纸高,并随介质温度提高而增加。这种高Cr、Ni奥氏体不锈钢的氧化膜/碳纸和钝化膜/碳纸的界面接触电阻明显低于316L。

PEMFC用不锈钢极板的电化学表面改性研究

极板材料及其相关技术是质子交换膜燃料电池(PEMFC)技术的核心之一,其性能高低对燃料电池的性能和成本都有着直接影响。通过电化学方法,对不锈钢金属极板进行表面改性处理;应用腐蚀性能实验、界面接触电阻测试和X射线光电子光谱(XPS)分析等方法,研究了表面改性对不锈钢金属极板性能的影响。实验结果表明:电化学表面改性技术可以使不锈钢金属极板表面形成的氧化膜更薄,降低其界面接触电阻;有利组分Cr的含量及其高价化合物CrO3增加,不利组分Fe的含量减少,使极板耐腐蚀性能得到提高,经过在PEMFC模拟阴极/阳极环境条件下1000h耐久性评价后,腐蚀电流为10-6A·m-2数量级;因此电化学表面改性的不锈钢金属极板是PEMFC极板材料的一种良好选择。

一种奥氏体不锈钢在模拟PEMFC环境中的特性

由于低成本、高强度、易于加工成薄板及其耐蚀性,不锈钢被认为是用做质子交换膜燃料电池(PEMFC)双极板的理想材料。用电化学方法研究了一种奥氏体不锈钢在H2SO4和2mg/LF-水溶液中的腐蚀行为,测量了钝化膜与碳纸间的界面接触电阻。结果表明,这种奥氏体不锈钢在H2SO4和2mg/LF-水溶液中呈现明显的活化-钝化转变,随着H2SO4浓度降低,耐蚀性提高,界面接触电阻增大。

耐腐蚀涂层Cr2N在质子交换膜燃料电池中的应用性能研究

采用固体粉末包埋工艺在316L不锈钢双极板上沉积Cr2N涂层,通过动电位和恒电位极化测试研究了Cr2N涂层的耐腐蚀性,并测量了界面接触电阻(ICR)和接触角。结果表明,与316L不锈钢相比,在1100℃下沉积的Cr2N涂层表现出较好的物相形貌、耐腐蚀性和较低的ICR值;Cr2N涂层的腐蚀电流密度在0.84 V(vs.SHE)下约5.01×10^-8 A/cm^2,比316L不锈钢低了三个数量级;Cr2N涂层的ICR值在150 N/cm^2时为8.7 mΩ·cm2,约为316L不锈钢的1/8;Cr2N涂层致密、平滑、连续,其阻抗和相位角在电解质溶液中变化较小,能够阻止SO4^2-、F-向基底渗透,起到有效的防腐作用。此外,Cr2N涂层还可以改善双极板的疏水性,在沉积Cr2N涂层后,不锈钢双极板的接触角从79.7°提升到105.7°。Cr2N涂层是用于质子交换膜燃料电池的316L不锈钢双极板的理想保护层。

SPE电解水用钛双极板表面氮化物涂层的制备与评价

采用PIRAC(粉末埋入反应辅助涂覆)氮化工艺在钛双极板表面制备一层氮化物防护涂层,研究了氮化温度对涂层的微观形貌、相组成,以及在模拟SPE电解水环境下耐蚀性、稳定性和导电性的影响。结果表明,涂层表面呈现颗粒状形貌,涂层内主要是TiN、Ti2N和α-Ti三相。氮化样品的耐蚀性得到明显提高,其中900℃氮化的样品在SPE电解水阳极高电位作用下的耐蚀性与基体相当。氮化后样品的界面接触电阻降低至3.5~4.2 mΩ/cm^2,在一定程度上会降低电解槽的欧姆损耗。在1.6~1.8 V电位范围内10 h的恒电位测试结果验证了氮化物涂层在高电位下的稳定性。

低温恒电流氮化提高316L不锈钢导电及耐腐蚀性能

目的解决恒电位电化学氮化时高的过电位引起的析氢反应对316LSS综合性能的恶化,提出采用恒电流技术对其进行电化学氮化改性,并确定最佳的试验参数。方法借助于循环伏安、计时电位,交流阻抗和动电位极化等电化学方法,扫描电镜及X射线光电子能谱分析,研究还原电流密度对316LSS表面形貌、耐腐蚀性能、疏水性能和接触电阻等的影响。结果还原电流密度为5 mA/cm^(2)时,反应后表面形成的氮掺杂凸起结构呈现明显的疏水性能,最大疏水角为103.7°。140 N/cm^(2)的压紧力下,界面接触电阻为8.9 mΩ·cm^(2),在0.5 mol/L H_(2)SO_(4)+5 mg/L F–的测试电解质中,腐蚀电流密度为0.025μA/cm^(2)。同一极板在阴、阳极总共长达13 h的耐久性测试中,腐蚀电流密度均小于1μA/cm^(2),且腐蚀后表面只出现了少量的腐蚀坑。结论316LSS在0.5 mol/L KNO_(3)+0.1 mol/L HNO_(3)的混合溶液中,经恒电流氮化改性后,综合性能明显提高。恒电流电化学改性过程中,316LSS钝化膜中氧化铁膜层的选择性溶解和氧化铬被氮掺杂,两者共同作用提高了316LSS的稳定性和电导率。证明了恒电流电化学氮化改性316LSS双极板可以达到比恒电位更好的效果,这为低成本、长寿命的金属双极板开发提供了新的可选方案。

电泳沉积制备质子交换膜水电解用钛双极板氮化钛涂层

在氮化钛(TiN)悬浮液中加入阳离子聚合物聚乙烯亚胺(PEI),通过阴极电泳将TiN沉积在钛基体上,作为质子交换膜(PEM)水电解双极板(BP)。在1.7 V的高电位PEM电解水体系中研究了不同条件下所制涂层的耐蚀性和导电性。结果表明,当TiN与PEI的质量比为1∶0.14时,在5 V电压下沉积90~300 s可获得无裂纹的均匀涂层。它在0.5 mol/L H(2)SO_(4)+2 mg/L F-的溶液中有一定的耐蚀性,在143.6 N/cm^(2)压力下的接触电阻达到了2.10 mΩ·cm^(2)。

PEMFC环境下氮化物涂层的耐蚀和导电性能研究

【目的】揭示氮化物涂层在质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)环境中潜在的应用价值,阐明其耐蚀和导电机制。【方法】采用等离子体气相沉积技术在SS304不锈钢表面制备氮化物涂层,利用扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)、能量色散X射线谱(X-ray energy dispersive spectrum,EDS)和X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)等微观手段对氮化物涂层的形貌和组织结构进行表征,通过电化学测试和界面接触电阻测量等手段评价涂层的耐蚀性和导电性。【结果】氮化物涂层均匀致密,与基体结合紧密,具有一定的疏水性,有效提高了不锈钢基体在酸性溶液中的耐蚀性,使得不锈钢基体的自腐蚀电位升高了187 mV。在酸性溶液的浸泡下,氮化物涂层的开路电位始终比基体的高,且腐蚀前后氮化物涂层都保持着良好的导电性,其界面接触电阻都比基体的低。【结论】施加氮化物涂层的SS304不锈钢的导电性和耐蚀性明显比基体的好,这与氮化物涂层本身具有良好的化学稳定性有关。

SPE电解水用多孔扩散层聚苯胺涂层的表面改性

采用酸蚀−恒电流法在多孔扩散层上合成聚苯胺(PANI)涂层,考察了制备条件对涂层接触电阻的影响。通过扫描电镜观察、动电位极化测量、恒电位极化测量、界面接触电阻测量和亲水性测试,研究了PANI涂层的表观形貌、耐腐蚀性能、导电性能和亲水性能。结果表明,在H2SO4浓度为0.75 mol/L,电流为1.0 mA,聚合时间为1200 s的条件下,PANI涂层界面接触电阻降低至0.45 mΩ·cm^(2)。PANI改性使得钛基体在0.5 mol/L H_(2)SO_(4)+5 mg/L F−的混合溶液中耐腐蚀性提高,且在电解过程中稳定性更好。在1.7 V(相对于标准氢电极)的恒电位极化过程中,PANI涂层明显地降低了界面接触电阻的增长速率。经PANI改性的样品有着更好的亲水性,在电解过程中更有利于水的反应。

天津工业生物所在三维碳纳米生物电极构筑方面取得新进展

三维碳纳米复合材料有优良的理化和机械性能,具有易合成、成本低、形貌可控等优点,近年来被广泛用于酶的固定化载体电极,应用于生物燃料电池、电化学分析、光电催化等重要领域。目前,三维碳纳米复合材料主要由大量一维、二维碳纳米材料混合组成,整体结构中界面原子所占比例较高,导致界面接触电阻较大、导电率较低,从而影响电极性能。

兰州大学新研究提升太阳能电池转换效率

兰州大学教授彭尚龙团队采用新型电荷选择性材料改性、光吸收改善、硅纳米陷光结构的构筑、硅表面钝化和硅/金属界面接触电阻降低等策略,提升了太阳能电池转换效率,同时,降低了成本。

新研究提升太阳能电池转换效率

兰州大学彭尚龙团队通过采用新型电荷选择性材料改性、光吸收改善、硅纳米陷光结构构筑、硅表面钝化和硅/金属界面接触电阻降低等策略,提升了太阳能电池的转换效率,同时降低了成本。研究人员将还原氧化石墨烯引入新型电荷选择性材料薄膜中,使导电性提高、电池材料光吸收增强。通过对电池结构进行设计、选用氧化锌作为电子选择性材料等技术改进,使得太阳能电池转换效率超过15%。相关研究成果为降低传统硅基太阳能电池的成本提供了新思路,为将来大范围推广提供了可能。

用于燃料电池双极板的不锈钢成分优化

利用团簇式方法,通过对Fe-Cr-Ni合金进行成分精修,在保持合金良好耐蚀性的同时,提升不锈钢的导电性。首先,解析316L不锈钢的成分,获得其Fe-Cr-Ni基础成分的理想团簇式[Ni-Fe11Ni1]Cr3,进而,固定Cr3,将Ni含量(质量分数)从6.63%变到32.74%,得到符合团簇成分通式[Ni-Fe13-xNix-1]Cr3=Fe13-xNixCr3(x=1~5)的合金成分。利用真空电弧熔炼并铜模浇注成直径10 mm试棒,随后进行固溶及水淬处理。实验结果表明,在模拟双极板服役环境(0.5 mol/L H2SO4+2×10^(-6) HF)下,随着Ni含量提高,在酸钝化后,自腐蚀电流密度由14.39μA/cm^(2)降低至1.00μA/cm^(2),在电化学氮化后,由1.03μA/cm^(2)降低至0.29μA/cm^(2)。这些数据均优于参照合金316L不锈钢(分别为7.51和0.47μA/cm^(2)),甚至低于0.5μA/cm^(2)的目前产业目标。在0.064 MPa压力下接触电阻逐渐减小(酸钝化后,从1.16Ω·cm^(2)减至0.98Ω·cm^(2),电化学氮化后,从1.07Ω·cm^(2)减至1.03Ω·cm^(2)),优于316L不锈钢的1.1Ω·cm^(2).上述实验结果表明,Ni含量的持续添加能够提升合金作为双极板的使役性能,最佳的不锈钢成分配方为[Ni-Fe10Ni2]Cr3,可以作为替代316L的新型不锈钢。电化学氮化处理方法在提升合金耐蚀性的同时,保持了相当高的接触电阻,是较好的不锈钢双极板表面处理方法。

质子交换膜燃料电池用6061铝合金极板表面类石墨碳涂层的导电耐蚀性能

为了获得6061铝合金极板表面类石墨碳涂层抗质子酸腐蚀的临界厚度和界面接触电阻的降低量值,采用磁控溅射方法在6061铝合金极板表面制备了一系列类石墨碳涂层。表征了类石墨碳涂层的微观结构,分析了涂层的界面接触电阻、耐蚀性和稳定性。结果表明,6061铝合金极板表面耐质子交换膜燃料电池阴极环境腐蚀的类石墨涂层临界厚度为0.97μm。与低碳靶电流条件下制备的涂层相比,碳靶电流4.5 A时制备的涂层表面更加光滑;此时,类石墨碳涂层的界面接触电阻最小,为16 mΩ·cm^(2),是石墨极板接触电阻的2倍。