设计性薄膜材料实验SUS430不锈钢(陶瓷)抗氧化涂层.docx

设计性薄膜材料实验sus430不锈钢(陶瓷)抗氧化涂层摘要连接体是固体氧化物燃料电池（sofc）中的重要组件之一。由于sofc的工作温度降低到了800，使金属作为连接体材料成为可能，而铁素体合金因为其良好的性能成为近年来金属连接体的主要研究方向。本实验采用溶胶-凝胶方法通过丝网印刷在sus合金连接体表面制备烧成了lsm涂层。在800温度、氮气氛下进行了涂层的烧成，对涂层试样（sus430/lsm）进行sem扫描观察了试样的表面和断面形貌，分析了合金体与涂层之间的结合情况。氮气保护下1000烧成5小时的lsm涂层致密度较好，与基体的结合紧密，涂层厚度约为30m。一实验原理燃料电池是一种以氢为主要燃料，把燃料中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的高效、低污染、无噪音的发电装置。传统电池除了具有电催化元件外，其本身是活性物质的储存容器。燃料电池与一般传统电池不同,其本身不具备也不储存活性物质，而只是一个催化转换单元。传统电池当储存在电池内的活性物质使用完毕后，必须停止使用，当重新补充活性物质后才可以再进行发电使用。相对地，燃料电池则是名副其实的能量转换器，而不是能量储存器，燃料和氧化剂等活性物质都是从燃料电池外部供给的，原则上只要这些活性物质不断地从外部输入，产生的废物不断地排除，燃料电池就能够连续的发电。固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell，简称sofc）是采用固体氧化物电解质为隔膜，通过化学反应将燃料的化学能直接转换为电能的一种发电技术，与其它方式燃料的利用相比具有能量转换效率高，使用寿命长，可用燃料广泛，易实现热电联供，对环境的污染小等许多优点。sofc单体燃料电池的工作电压仅有1v，为了提高电池的输出电压，需要连接提将单体电池串联起来，组成电池堆采用在中温下具有较高电导率的新型电解质材料及传统ysz电解质的薄膜化工艺1，传统电池的工作温度在1000左右，而sofc的工作温度可降至800以下，在此条件下可用耐高温氧化的合金材料代替传统的陶瓷材料作为连接体。然而合金氧化后会在表面生成一层电导率较低的氧化物，随着氧化层的增加，电阻不断增加，最终将导致sofc性能退化并影响电池运行稳定性和寿命2,3。为了抑制金属连接体的氧化，降低连接体与sofc电极的界面电阻，需要在金属连接体的表面涂覆涂层材料来保持sofc性能的长期稳定。二选题背景连接体是固体氧化物燃料电池（sofc）的重要组件之一，与传统的陶瓷连接体相比，金属连接体具有成本低、加工性能好的优势，然而其高温抗氧化性能严重不足。采用lsm（la0.75sr0.25mno3）涂层对金属连接体进行表面改性是提高其高温抗氧化性的一个有效途径，因此研究lsm涂层的制备工艺对于制备性能良好的金属连接体具有重要意义。三基本设想采用丝网印刷法制备sus430不锈钢的la0.75sr0.25mno3(lsm)涂层，起到高温抗氧化保护作用和抑制cr元素挥发作用，用于sofc金属连接体。1.制备lsm浆料：将纳米级lsm粉体原料和松油醇按照固含量为40wt.%的比例进行混料，添加3wt.% 三油酸甘油酯作分散剂，以球料比为1.5:1球磨8h，制得高固含量、分散良好的lsm浆料。2.基体处理：选用1mm厚的sus430不锈钢，线切割成25mm25 mm大小的样品，采用稀盐酸浸泡除去表面氧化层，洗净晾干，完成表面预处理。3.涂层制备：采用丝网印刷法制备sus430不锈钢的lsm涂层。4.涂层烧成：涂覆于sus430合金表面的lsm在900下于氮气氛围中保温3小时进行烧成。5.表征：采用光学显微镜观察涂层表面形貌，分析涂层致密度。四实验内容4.1实验器材实验中采用sus430铁素体不锈钢，其主要的化学成分为fe-16.31cr-0.21mn-0.36si (质量分数，)，具体成分如下表所示：表1 sus430的化学成分成分 fe cr mn si ni a1 c p s含量 82.9 16.31 0.21 0.36 0.12 0.11 0.048 0.023 0.0006制备lacoo3涂层所需原料如表2所示：表2 lsc涂层制备原料试剂名称 化学式 附注硝酸镧 la(no3)36h2o 分析纯硝酸钴 co(no3)26h2o 分析纯柠檬酸 c6h8o7.h2o 分析纯乙二醇 c2h6o2 分析纯 氨水 nh3h2o 分析纯无水乙醇 ch3ch2oh 95%蒸馏水 h2o 实验过程中所需使用到的主要实验设备及分析测试仪器如表3所示：表3 实验设备和仪器设备名称型号生产厂家电子分析天平数显恒温水浴锅超声波洗涤器精密增力电动搅拌器箱式电阻炉fa2004hh-2sk2200hjj-1sx2上海恒平科学仪器有限公司国华电器有限公司上海科导超声仪器有限公司金坛市江南仪器厂宜兴前锦炉业设备有限公司电热鼓风干燥箱 td24a-ws 上海实验仪器厂有限公司xrd衍射仪 d8 advance 德国bruker/axs公司综合热分析仪 sta449c 德国耐驰公司sem jsm-6700f 日本jeol公司4.2实验方法4.2.1 lsm制备工艺流程(图4）用氨水调ph值2少量蒸馏水80干燥1hla/sr/co/mn溶液均匀溶胶基体浸渍箱式电阻炉烧结lsmc涂层80水浴搅拌硝酸盐（la、sr、co、mn）柠檬酸、乙二醇、蒸馏水 图4 lsm制备工艺流程4.2.2 sus430 合金的表面处理sus430热膨胀系数与ysz较为接近，因此本实验选取的连接体为sus430合金连接体。取1mm厚的sus430合金板，用切割的方式把合金板切割成20mm*20mm*1mm的标准小块试样，将四周打磨平整。对合金小块的表面进行处理。将试样表面用砂纸打磨10min，随后放入装有酒精的烧杯中使用超声波清洗器清洗30min，干燥后放入低浓度的柠檬酸浸泡2h，用蒸馏水洗净，干燥。浸泡 浸泡前后对比4.2.3 浆料制备根据la0.8sr0.2mno3化学计量比来确定硝酸镧、硝酸锶、硝酸锰的量。硝酸镧（含44%的氧化镧）：mla(no3)36h2o/100=（0.8/2）*m（la2o3）*(1/44%)/100=2.962g硝酸锶：msr(no3)2/100=0.2*msr(no3)2/100=0.42g硝酸锰（50%）：mn(no3)2/100=1*mmn(no3)2*(1/50%)/100=3.58g柠檬酸：1:1 (2*1) *m(柠檬酸)/100=4.20g 1:1.5 (2*1.5)*m(柠檬酸)/100=6.30g 1:2 (2*2)*m(柠檬酸)/100=8.40g乙二醇：5g蒸馏水：20g将硝酸镧、硝酸锶、硝酸锰按la0.8sr0.2mno3的化学计量比称量后混合，蒸馏水溶解，制备成溶液。将柠檬酸和乙二醇按化学计量比称量后混合，加入蒸馏水溶解，制备成溶液，加入适量的氨水，将ph调至1.5-2。将溶液加入到溶液中，放入水浴锅，80加热搅拌2h，确保柠檬酸与金属阳离子充分络合。混合溶液将发生酯化、聚合反应，逐渐变得粘稠，用激光笔照射混合溶液，若发生丁达尔现象，则已形成溶胶，取出停止水浴、搅拌。由于柠檬酸与金属离子的摩尔比（mrcm）直接影响到溶胶的质量。4.2.4 lsc涂层的制备将已处理的sus430合金基体浸渍在制备好的溶胶中，待其被完全润湿后用提拉法取出，提拉速度为1cm.min-1；附着在基体表面的液体就会提拉成膜。然后将涂覆后的试样置于80恒温箱中充分干燥。最后放入箱式电阻炉中煅烧，则可形成sus430合金基体的lsc涂层。4.2.5烧制烧成是涂层制备一个重要环节，烧成制度的好坏会直接影响涂层的性能。氮气保护下2小时升温到1000，烧成5小时，烧制完成后随炉冷却到室温。 1000 800 600 400 200 1 2 3 4 5 6 7 小时/t （烧成后的基体）4.2.6样品检测使用扫描电镜（sem）对样品涂层的形貌进行检测。本实验选用日本jeol公司的jsm-6700f型场发射扫描电镜(fesem)来观察样品涂层断面和表面的微观结构，以讨论sus430基材与lsmc涂层的结合性和涂层的致密度。（基体涂层的表面）（基体表面）五结论1. 通过对比实验可知，m金属离子:m柠檬酸=1：1.5配置的lsmc胶体的性能优异，保存时间最久，而且不容易产生起皮、起泡现象；同时通过涂覆过程，对比a#、b#片可发现经过酸洗，超声波清洗，柠檬酸浸泡处理的sus430基材与涂层的结合性良好。2. 通过对x射线衍射（xrd）图谱分析，我们得到样品的主要物相为fe基体相和lsmc涂层相，说明根据该实验方法可以获得所需涂层相。xrd分析结果显示，fe基体相的衍射峰很强， lsmc涂层衍射峰相对微弱，其原因可能是涂层强度不高，容易脱落，检测时铁基体上的涂层可能很少，导致涂层相衍射峰强度较低。3. 用溶胶-凝胶法制备的lsmc涂层通过对其断口处进行sem扫描，可以得出该涂层与fe基体的结合比较紧密，几乎没有裂纹和空隙，晶粒尺寸小，并且表面还形成一层抗氧化层，达到工艺要求，性能良