丝网印刷法制备稀土改性CuFe2O4尖晶石涂层研究

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固体氧化物燃料电池是一种新型发电装置,拥有广泛的应用领域。连接体是其中重要组件之一,具有连接单电池阴、阳极和传导电子的作用。随着燃料电池技术的发展和进步,Fe-Cr连接体引起研究者的注意,并被广泛运用。然而,Fe-Cr连接体在高温长期服役中存在Cr扩散引起的面比电阻增加、阴极材料毒化问题。目前,研究者主要通过在Fe-Cr连接体表面制备保护涂层,避免其在高温服役过程中与O2的直接接触,减少SUS430合金基体中Cr的扩散,有效降低上述问题引起的电池性能衰减。在各类防护涂层中,尖晶石涂层与SUS430合金基体的结合力较好,且具有相对较高的高温导电性能和阻止SUS430合金基体中Cr扩散的能力,受到研究者的广泛关注。其中,Cu-Fe系尖晶石涂层对O2具有较好的防护作用,且构成元素属过渡族金属,传导电子能力较强,原材料成本低。然而,该类涂层在高温长时间氧化后,仍存在含Cr过渡层生长,导致涂层试样工作效率下降的问题。研究发现,对涂层进行稀土改性可以在电池组高温服役过程中降低含Cr过渡层的生长速率,提高涂层与合金连接体的结合力。本课题从成本的角度出发,以低成本Cu-Fe系尖晶石涂层材料为研究对象,采用低成本的溶胶-凝胶法制备稀土改性CuFe2O4尖晶石粉末,简单易行的丝网印刷法在SUS430合金基体表面制备稀土改性CuFe2O4尖晶石涂层,系统研究稀土元素改性对涂层试样微观组织结构、高温抗氧化性能及导电性能的影响规律,阐明稀土改性对CuFe2O4尖晶石涂层试样的作用机理,以期为探索固体氧化物燃料电池合金连接体低成本表面改性提供理论支持,主要结果如下:(1)在溶胶-凝胶法制备稀土改性CuFe2O4尖晶石粉末过程中,当湿溶胶的干燥温度为80℃,干燥时间为6 h时,得到完全干燥的干凝胶。当干凝胶的烧结温度为800℃,烧结时间为4 h时,可以得到结晶程度较高的CuFe2O4尖晶石粉末,同时对比研究不同Y、Ce改性量下CuFe2O4尖晶石粉末的物相结构和微观形貌,确定Y、Ce的最佳改性量分别为0.03 mol/L和0.04 mol/L。(2)在丝网印刷法制备稀土改性CuFe2O4尖晶石涂层过程中,当浆料中CuFe2O4粉末为10 g,乙醇为5 m L,聚丙烯酸为2.5 m L时,采用200目的丝网在SUS430合金基体表面印刷沉积得到表面平整的涂层试样,当涂层试样在60℃下干燥1.5 h后,置于800℃的空气中烧结3 h得到表面较致密的CuFe2O4尖晶石涂层试样。同时,对比表征800℃下氧化168 h后的Y、Ce改性涂层试样的微观形貌,结果显示,Y改性涂层表面更加致密,含Cr过渡层厚度较小。(3)对比分析Y、Ce改性涂层试样的高温抗氧化性和导电性,在高温800℃下氧化168 h后,与稀土Ce改性涂层试样的氧化速率常数(3.24×10-15 g2·cm-4·s-1)相比,稀土Y改性的涂层表现出更好的高温抗氧化效果(2.99×10-15 g2·cm-4·s-1)。同时,Y改性CuFe2O4涂层试样的ASR为14.8 mΩ·cm2,低于Ce改性CuFe2O4涂层试样的ASR(15.6mΩ·cm2)以及未改性CuFe2O4涂层试样的ASR(16.5 mΩ·cm2),表明Y改性CuFe2O4涂层试样的高温抗氧化性能和导电性能较好。
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