PEMFC不锈钢双极板表面改性用Cr-C薄膜的成分设计与制备

目的根据质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)不锈钢双极板的表面镀膜改性要求,探索改性薄膜成分对性能的影响规律,并提供一种行之有效的薄膜成分设计方法。方法首先应用团簇加连接原子结构模型,结合电子轨道饱和原则,理论上设计出Cr-C二元材料体系的最佳团簇式和最佳成分,再利用电弧离子镀技术在316L不锈钢双极板上制备出一系列不同成分的CrxC1-x薄膜,对薄膜的成分、结构及性能进行表征和分析。结果设计所得Cr-C材料体系的最佳团簇式为[Cr-C4]CrC3,对应的最佳原子比成分为Cr0.22C0.78。所制备的CrxC1-x薄膜的成分系数x在0.05~0.23之间变化,薄膜的导电性和耐蚀性能随着成分x的增加,呈明显增加趋势。其中Cr0.23C0.77薄膜的综合性能最好:在1.2MPa压紧力下,接触电阻为2.8 mΩ·cm^2;在模拟腐蚀环境下,腐蚀电流密度仅为9.1×10-2μA/cm^2。该性能已优于美国能源部DOE的标准指标要求。结论Cr-C改性薄膜的成分对导电性能和耐蚀性能有着重要的影响。由于实验制备的性能最佳的薄膜成分Cr0.23C0.77与基于团簇加连接原子模型设计薄膜的最佳成分Cr0.22C0.78基本相同,从而证实了依据此模型进行双极板改性薄膜成分设计是行之有效的。

电弧离子镀法制备高硬度Cr-Si-C-N薄膜

采用电弧离子反应沉积技术在SCM415渗碳淬火钢基片上沉积了Cr-Si-C-N薄膜,三甲基硅烷(TMS)反应气体作为Si和C掺杂源,通过改变TMS流量实现了薄膜中Si和C含量的调节.利用XPS,XRD,HRTEM和显微硬度计研究了Cr-Si-C-N薄膜的化学状态、显微组织和显微硬度.Cr-Si-C-N薄膜中的Si和C含量随TMS流量的增加而单调增加.在TMS流量小于90 mL/min时,薄膜中Si和C含量较少,薄膜由Cr(C,N)纳米晶与Si_3N_4非晶(nc-Cr(C,N)/a Si_3N_4)组成,薄膜硬度随流量的增加而单调增大,最大至4500 HK.硬度的增加源于固溶强化及薄膜中纳米晶/非晶复合结构的形成;当TMS流量大于90 mL/min时,薄膜中Si和C含量较多,多余的C以游离态形式存在,且随TMS流量的增加而增多,薄膜硬度下降.

WC直流磁控溅射法表面镀铬研究

采用直流磁控溅射技术在WC微粒表面包覆一层Cr膜,通过光学显微镜和X射线衍射仪(XRD)观察分析Cr膜的厚度和粉末的成分,其结果表明:合理的工艺参数控制,可以获得厚3～5!m,均匀、完整的Cr膜,微粒中Cr的成分明显提高,这对WC微粒在高温工艺使用上,提高其磨损性能有很大的帮助。

脉冲偏压电弧离子镀C-N-Cr薄膜的成分、结构与性能

用脉冲偏压电弧离子镀设备在保持偏压一致和工作气压恒定的条件下,控制不同氮(N)流量,在硬质合金基体上制备了不同成分的C-N-Cr薄膜.用SEM,XPS,GIXRD,激光Raman谱和纳米压入等方法分别研究了薄膜的表面形貌、成分、结构与性能.结果表明,随着N流量增加,薄膜中N含量先是线性增加然后趋于平缓,Cr含量先是基本保持不变然后线性减少.在N流量不超过20 mL/min时,薄膜保持较高的硬度(>30 GPa)与弹性模量(>500 GPa);当N流量超过20 mL/min时,薄膜硬度与弹性模量急剧下降,在N流量为100 mL/min时硬度与弹性模量仅为13.6与190.8 GPa.

电沉积Cr－C，Ni－P非晶结构稳定性对C，P含量的依赖性

研究了在高加速电压的电子束作用下，Ｃｒ－Ｃ、Ｎｉ－Ｐ非晶镀层结构的稳定性与其组分的关系，发现在远低于晶化温度的条件下，类金属元素含量越低，晶化程度越大。

多元Cr-Mo-Si-C-N系列薄膜结构及摩擦学特性研究进展

从三元含Mo的Cr-Mo-N、Mo-Si-N、Mo-C-N薄膜到四元Cr-Mo-Si-N、Mo-Si-C-N薄膜,综述多元系列薄膜的结构、力学及摩擦学性能的研究进展;分析在不同气体压力、制备方法与参数、不同元素含量下薄膜结构的变化,阐述薄膜结构与其力学性能和摩擦学特性的关联。指出:多元Cr-Mo-Si-C-N系列薄膜结构、硬度、摩擦因数强烈受到薄膜中Mo、Si、C、N元素含量的影响,其中力学特性还与薄膜微结构紧密相关;薄膜的摩擦学特性与晶粒生长细化和作为润滑剂的无定形基质有关;在摩擦过程中发生的摩擦化学反应也有效地提高了薄膜的耐磨性。对于四元Cr-Mo-C-N和多元Cr-Mo-Si-C-N薄膜,建议进一步研究在水润滑与非润滑的不同条件下,例如在海水或者空气干摩擦环境下,是否由于薄膜结构组分的不同而有效地形成含Mo的氧化物的自润滑膜,以提高薄膜在更多场合下的适应性和减摩性。