【正文】 多問題有待進一步的研究。但是要真正實現(xiàn)大批量、商品化生產(chǎn)還有一系列問題需要解決。近年來隨著計算機技術(shù)的進步，對等離子噴涂過程和涂層的計算 機模擬也有較大的發(fā)展。 等離子噴涂參數(shù)多達幾十種，而且有些之間相互影響。 針對噴涂粉末和等離子噴涂處理過程進行數(shù)學分析和計算機模擬并對其實行智能化控制。在熱噴涂技術(shù)中等離子噴涂占據(jù)著最重要的地位。在一系列的技術(shù)領(lǐng)域里，等離子涂層所顯示的獨特優(yōu)越性已經(jīng)引起越來越多的工業(yè)部門的重系列的技術(shù) 領(lǐng) 畢業(yè) (設(shè)計 )論文 第 17 頁 17 域里，等離子涂層所顯示的獨特優(yōu)越性已經(jīng)引起越來越多的工業(yè)部門的重系列的技術(shù)領(lǐng)域里，等離子涂層所顯示的獨特優(yōu)越性已經(jīng)引起越來越多的工業(yè)部門的重視，故在航空、冶金、機械、機車車輛等部門得到廣泛的應(yīng)用。等離子噴涂在傳統(tǒng)的耐磨、耐熱、抗氧化 /腐蝕方面已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，近年來正試圖在生物、超導和復合材料等高科技領(lǐng)域發(fā)揮特長，而且取得了一定的應(yīng)用。從空氣等離子噴涂和水穩(wěn)等離子噴涂發(fā)展到真空等離子噴涂以及后來的超音速等離子噴涂和反應(yīng)等離子噴涂、微束等離子噴涂等。對比了噴涂后處理對薄膜結(jié)合強度的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，噴涂后將試樣放入烘箱里保溫一定時間后，其結(jié)合強度是直接放在空氣中冷卻時的兩倍，達到 。對于有 LSM涂層的連 接板，其最打電導率為 cm1(約 400℃ 時 )。研究了有與無 LSM保護膜的連接板材料在 100－ 8000C使空氣氣氛下的電導率，發(fā)現(xiàn)當溫度大于 330℃ 時，有保護膜的連接板的電導率大于沒有保護膜的連接板。 (2)為了提高 LSM薄膜同基體 SUS430鐵素體不銹鋼之間的結(jié)合強度，在噴涂 LSM之前，噴涂 NiCr20粘結(jié)底層。 XRD結(jié)果發(fā)現(xiàn)，噴涂前后 LSM的 成分與相結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化，證明了等離子噴涂法能夠用于制備 LSM涂層。 圖 連接板電導率與溫度的關(guān)系曲線 0 105 205 305 405 505 605 705 溫度 /℃ 電導率/Ω1 cm1 有 LSM 無 LSM 畢業(yè) (設(shè)計 )論文 第 16 頁 16 4. 實驗總結(jié)與展望 本文采用等離子噴涂工藝，制備了 La (LSM) 金屬連接板保護涂層，系統(tǒng)分析了噴涂工藝對 LSM涂層 的性能 影響，探索了增強涂層與金屬基體結(jié)合性能的措施。元素分布均勻，不含 其它的雜質(zhì)元素 ， 證明了等離子噴涂 LSM薄膜沒有引起 LSM的相和化學成份的 變化，該方法能夠用于 SUS430金屬合金上噴涂 LSM保護膜。二支點法測量了有與無 LSM保護膜時，金屬連接板的電導率。最后采用 XRD, SEM分別 分析 了薄膜的成分 ，表面與截面形貌 。無 LSM保護膜金屬連接板的電導率在 130－ 1800C范圍內(nèi)變化很?。ㄏ陆盗?5％左右），可能是因為在金屬連接板表面生成的低電導率的氧化物 Cr2O3而導致其電導率特性曲線呈現(xiàn)云母片 加熱容器 Pt 導線 圖 二支點法測量電導率示意圖 畢業(yè) (設(shè)計 )論文 第 15 頁 15 下降趨勢。當溫度大于 3300C時，結(jié)果相反。連接板在空氣中， 130－ 1800C條件下的電導率，見圖 。為了降低內(nèi)阻，提高電池的功率密度，連接板必須在中溫下具有高的導電率。為了降低氧化膜的厚度，當溫度提高時，噴涂需要在氧氣保護環(huán)境中進行。這主要是因為在預(yù)熱的過程中，基體表面形成氧化物薄層導致。在同基體碰撞時，粒子首先發(fā)生彈性變形，但是 LSM 的塑性相對較差，彈性變形比較小，而沒有鋪展形成圓盤狀。在接觸處，壓力與高溫是物理化學相互作用的推動力，這些推動力導致粒子的牢固的結(jié)合和形成涂層。結(jié)晶前沿由基體朝著熔融粒子方向運 動。粉末粒子經(jīng)過加熱、飛行階段，與基體或已堆積在基體上的涂層發(fā)生碰撞，攤展開形成典型的“片層”結(jié)構(gòu)。 等離子射流是一種快速流動的高溫流體，當?shù)腿埸c粉末材料被粉氣送入等離子射流中時，等離子射流會對粉末顆粒產(chǎn)生加熱、加速作用。在圖中沒有發(fā)現(xiàn)等離子噴涂典型的“疊片層”結(jié)構(gòu)，這可能因為當陶瓷噴涂到基體上迅速冷卻而不能完全展開有關(guān)。從圖中可以看出薄膜中存在均勻分散的非聯(lián)通細孔，由圖像分析法計算得該薄膜的孔隙率為 3％。結(jié)果證明了等離子噴涂 LSM薄膜沒有引起 LSM的相和化學成份的變化，該方法能夠用于 SUS430金屬合金上噴涂 LSM保護膜。本文將原始粉末與噴涂薄膜的成份進行了 XRD對比分析，發(fā)現(xiàn)噴涂前后粉末的衍射峰的強度、寬度和位置均沒有 發(fā)生變化。粉末進入等離子體以后，將進行復雜的熱傳遞過程，粉末被加熱到熔融或半熔融的狀態(tài)，然后在等離子射流的作用下，高速撞擊基體，與基體發(fā)生物理，機械或冶金結(jié)合。粘結(jié)層與 LSM薄膜的噴涂工藝參數(shù)見表 。 粘結(jié)層與 LSM 薄膜制備 噴涂 NiCr20粘結(jié)底層，厚度約為 ，以 增加基體與薄膜的結(jié)合強度。 表面處理 噴涂前對基體表面進行噴砂處理，以增加其表面粗糙度、提高基體的活性和預(yù)先在基體上形成壓應(yīng)力、提高薄膜與基體的結(jié)合力。 畢業(yè) (設(shè)計 )論文 第 11 頁 11 造粒前的 LSM 粉末 造粒后的 LSM 粉末 基體的準備 基體材料 連接板材料為 SUS430鐵素體不銹鋼，其成分見表 。為了增加粉末的流動性，重新考慮 LSM粉末和聚乙烯醇水溶液的配比進行造粒，直到粉末表現(xiàn)出很好的流動性，實驗得出兩者的最佳配比為 ％。 將 LSM粉末與上述 5％的聚乙烯醇水溶液按質(zhì)量比 7％充分混合，過篩，放入1500C的烘箱內(nèi)保溫 3小時。 最后，通過 SEM、 X射線衍射、 二 支點法 電導率測試儀 等測定薄膜 表面形貌 、電導率和相成分等。等離子噴涂因具有快速、連續(xù)、價廉等優(yōu)點而廣泛地應(yīng)用于航空、航天、機械、國防、電力等領(lǐng) 域。同時，還可以賦予材料表面特殊的性能，因此等離子噴涂技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。同時，基體的表面狀況以及噴涂前基體預(yù)熱也將對涂層質(zhì)量的好壞產(chǎn)生影響。 畢業(yè) (設(shè)計 )論文 第 9 頁 9 等離子噴涂的關(guān)鍵工藝參數(shù)包括 :功率、粉末尺寸、送粉量 、噴涂速率、氣體流量，噴槍行走速度、噴距等。例如，工程陶瓷作為涂層材料噴涂在金屬工件的表面，以提高材料耐腐蝕、耐磨、抗氧化性及隔熱性能，現(xiàn)已在工程上獲得應(yīng)用。與電子束、激光束加工相比，等離子噴涂價格比較低廉，生產(chǎn)效率高。 等離子噴涂 工藝流程 通過將粉末送入等離子射流，使之加熱到熔融或半熔融狀態(tài)后以高速撞擊到基體表面或己經(jīng)形成涂層的表面，冷卻凝固形成涂層。噴涂時采用外送粉。 畢業(yè) (設(shè)計 )論文 第 8 頁 8 等離子噴涂裝置 噴涂采用北京航空 625所 生產(chǎn)的 GP80型等離子噴涂設(shè)備 ，如下圖 。 6) 適合制備功能梯度薄膜。 4) 等離子噴涂的零件尺寸不受限制 、基體材質(zhì)廣泛、加工余量小、可噴涂強化普通基體材料的零件表面。 2) 涂層的種類多；由于 等離子射流溫度很高，可以將各種噴涂材料加熱到熔融狀態(tài)，因而可供等離子噴涂使用的材料非常廣泛，既可以噴涂低熔點金屬和金屬合金，還可以噴涂各種難熔材料，例如陶瓷等。 等離子噴涂是一項比較復雜的技術(shù)，影響涂層質(zhì)量的因素很多， 主要包括 表面預(yù)處理 、 送粉量與噴涂功率 、 等離子氣體的選擇和流量 以及 噴涂距離與噴涂角度 ， 是否選擇較佳的工藝參數(shù)是能否獲得優(yōu)質(zhì)涂層的重要保證。載有噴涂粉末的氣體進入等離子 焰流，使粉末很快呈熔化或半熔化狀態(tài)，并高速噴打在零件表面產(chǎn)生塑性變形，粘附在零件表面。 畢業(yè) (設(shè)計 )論文 第 7 頁 7 2． 研究方法與試驗裝置 等離子噴涂技術(shù) 等離子噴涂的原理 等離子噴涂是采用壓縮電弧作為熱源，工作氣體常用 N2或 Ar，再加入 5%10%的 H2。 2) 以 LSM為原材料， 利用空氣等離子噴涂技術(shù)制備 SOFC連接體材料。使用噴槍將溶液噴涂在極板上形成 。 La, Sr和 Co的硝酸鹽按摩爾比為 :La/Sr/: : 1混合。用碳化硅砂紙打磨，然后用金剛石研磨膏拋光到 ，最后丙酮溶液超聲波清洗。 日本的 Tomasz Brylewski等人選用 SUS430不銹鋼 (Nippon Steel, Japan)作連接板。 對于金屬基連接板的加工方式一般采用機加工。在開始運行的 2100h 中，電池性能沒有下降。用 Ni22Cr 高溫合金作為雙極板材料，并用空氣等離子噴涂 (APS)法在金屬雙極板上噴涂了 LSM 保護膜。目前，連接板的制備方法有 :燒結(jié)法、電化學氣相沉積法、化學氣相沉積法、等離子噴涂等。 國內(nèi)外連接板的研究現(xiàn)狀 作為固體氧化物燃料電池中關(guān)鍵部件之一的連接板，其成本在整個電池成本中占有較大的比重。耐熱合金主要為 Ni基、 Co基和加入 Cr的鐵合金或氧化物彌散強化 (ODS)Cr合金。固體氧化燃料電池運行溫度的降低使得耐熱合金 作為燃料電池的連接板材料成為可能。mol1K1 (K1) (KJ cm1） 導熱率 熱膨脹系數(shù) 106 標準焓變 標準熵變 抗彎強度 WYCr03因為在燃料氣氛下比 LaCr03更穩(wěn)定而作為連接板材料，但到目前為止，只對其進行了初步的研究，還沒有采用 YCrO3作為連接板來組裝 SOFC電池堆的報道。主要摻雜元素有 Ca, Al, Co和 Sr等。 (4)形成氧空位。 LaCr03主要存在以下問題 : (1 )在空氣中的燒結(jié)性能差 。在燃料和氧化氣氛下具有較高的電子電導率，在燃料電池的工作環(huán)境下穩(wěn)定，熱膨脹系數(shù)與其它部件匹配。大約在 1000℃ 時，氧化物 的斜六面體轉(zhuǎn)變?yōu)榱呅谓Y(jié)構(gòu)，當溫度繼續(xù)升高到大約 16500C時將轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎较唷?A位置的稀土離子 La 3＋ 與 12個氧離子相連， B位置的陽離子 Cr3＋ 與 8個氧離子相連。金屬連接板的使用將大大降低 SOFC 的材料和制造成本，促進固體氧化物燃料電池堆的商品化，從而提高 SOFC 同傳統(tǒng)火力發(fā)電的競爭力。 畢業(yè) (設(shè)計 )論文 第 4 頁 4 SOFC 連接板材料 目前，廣泛應(yīng)用于連接板材料為摻雜 LaCrO3。 3) 陽極： 燃料發(fā)生氧化反應(yīng)的場所。 1) 陰極 ： 主要作用是為氧化劑的還原反應(yīng)提供反應(yīng)區(qū)。各種燃料電池的性能特征見表 。陰極 陽極 燃料 氧氣 電解質(zhì) H2 H2O H2O 1/2O2 2e— 負載 P— 離子 N— 離子 圖 燃料電池原理圖 畢業(yè) (設(shè)計 )論文 第 3 頁 3 按工作溫度可將燃料電池分為常溫、中溫、高溫、超高溫型。 其反應(yīng)式為： 陽極氧化反應(yīng)： 【 R】 【 R】 ++ e 陰極還原反應(yīng)： 【 R】 ++【 O】 + e【 W】 . 燃料電池的分類 燃料電池的分類方法很多，可以按工作溫度、電解質(zhì)類 型、結(jié)構(gòu)特點和所用燃料的不同及應(yīng)用分類。電流通過外電路對負載進行工作。燃料與氧化劑分別通過分流輸送到陽極與陰極。 畢業(yè) (設(shè)計 )論文 第 2 頁 2 燃料電池概述 . 燃料 電池原理 燃料電池（ Fuel Cell，簡稱 FC）是一種通過電化學反應(yīng)直接將燃料的化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。 其次，尋找 出 PVA 和 LSM 粉末的 最 佳配比 。各粉末之間也依靠塑性變形而相互鉤接，從而獲得結(jié)合良好的層狀致密涂層。工作氣體進入電極腔的弧狀區(qū)后，被壓縮電弧加熱離解形成等離子體，其中心溫度高達 15000K以上，同時經(jīng)孔 道高壓壓縮后呈高速等離子射流噴出。 故本文采用 空氣等離子噴涂法 制備 La1xSrxMnO3保護涂層 。金屬合金的熱膨脹系數(shù)可以通過調(diào)整金屬中各成分的含量，使金屬合金的熱膨脹系數(shù)與固體氧化物電池的其它部件相匹配。提高金屬抗氧化性的另一個方法是在金屬表面生成一層陶瓷材料，該陶瓷材料可以是 (LaSr)Mn03或 Sr摻雜的 LaCo03。但是，對于形成 Cr203的連接板主要問題是，在燃料電池的運行溫度下， Cr的氣態(tài)物質(zhì) (如 CrO3（ g))的揮發(fā)很顯著。 Membraneelectrode assembly (MEA) which included anode, electrolyte and cathode, was deposited on anodesupported using air plasmas pray. Key words: Plasma Spray, Solid Oxide Fuel Cell， Metal Interconnect