tausta
Protoninvaihtokalvopolttokennoissa ankarista sisäolosuhteista johtuen metalliset bipolaariset levyt syöpyvät helposti ja heikentävät suorituskykyään. Siksi niiden pinnoille on valmistettava toiminnalliset pinnoitteet, jotka täyttävät suorituskyky- ja kestävyysvaatimukset. Pinnoitteelta vaaditaan yleensä hyvä sähkönjohtavuus, erinomainen korroosionkestävyys, tietty hydrofiilisyys ja hydrofobisuus, hyvä sidoslujuus ja alhainen hinta. Metallibipolaaristen levyjen polttokennojen kehittämisen ja pienimuotoisen markkinoiden sovellusten vaiheissa jalometallipinnoitteita käytetään laajalti metallisten bipolaaristen levyjen pinnan modifioinnissa niiden alhaisen valmisteluvaikeuden, vakaan suorituskyvyn ja korkean polttokennon käyttöolosuhteiden sietokyvyn vuoksi. Polttokennoteollisuuden siirtyessä vähitellen kohti teollistumista ja markkinointia, jalometallipinnoitteiden korkea hinta on kuitenkin vähitellen noussut esiin. Siksi monet tutkijat ovat alkaneet tutkia ja kokeilla muita materiaalijärjestelmiä. Niistä hiilipohjainen pinnoite on yksi materiaaleista, joita voidaan ennustettavasti käyttää korvaamaan jalometallipinnoitteita kaksinapaisten metallilevyjen pinnan modifioinnissa.
Hiilipinnoitettu rakenne
Hiilellä on monia erikokoisia allotrooppeja, kuten fullereeni, hiilinanoputket, hiilinanokuidut, grafeenilevyt, timantti jne. Hiilen neljällä valenssielektronilla on kolme elektronihybridiradan ominaisuutta: sp, sp2 ja sp3, joten jokaisella on hyvin erilainen ominaisuuksia. Tyypillisesti grafiitti koostuu sp2-hybridisoidusta hiilestä. Sen uloimmassa kerroksessa on kolme elektronia kolmion sp2-radalla σ-sidoksen muodostamiseksi, ja neljäs elektroni Pπ-radalla muodostaa π-sidoksen, joka on kohtisuorassa σ-tasoon nähden. Siksi grafiitilla on erilaisia ominaisuuksia. Anisotrooppinen lamellirakenne. Tämä rakenne antaa sille erinomaisen sähkönjohtavuuden, mutta johtaa myös alhaiseen mekaaniseen lujuuteen; timantilla on sp3-hybridirakenne, ja hiiliatomin neljä valenssielektronia on allokoitu tetraedrisuuntaiselle sp3-orbitaalille muodostaen muodostelman vierekkäisten atomien kanssa. Vahva σ-sidos, joka antaa sille suuren ominaisvastuksen, kemiallisen inertin ja superkovuuden. Grafiitin ja timantin välissä on sp2- ja sp3-hybridirakenteista koostuva aine - amorfinen hiili (aC).
Pääasiassa sp3-hybridisaation muodossa esiintyvällä AC:lla on ominaisuudet samankaltaisia kuin timantilla, joten sitä kutsutaan timantin kaltaiseksi amorfiseksi hiileksi [1]. AC:tä, joka koostuu suuresta määrästä sp2-hybridirakenteita, kutsutaan grafiitin kaltaiseksi amorfiseksi hiileksi. AC voidaan valmistaa eri prosesseilla, ja myös valmistettu AC on monipuolinen. Vuosien varrella monet tutkijat ovat tehneet laajaa ja syvällistä tutkimusta AC:n valmistelusta ja suorituskyvyn optimoinnista, mikä on edistänyt tämän materiaalin nopeaa kehitystä ja menestystä koneissa, puolijohteissa, lääketieteellisissä laitteissa ja muilla sovellusalueilla.
Metallibipolaaristen levysovelluksien tapauksessa pintapinnoitteen ei tarvitse olla ainoastaan hyvä johtavuus kosketusvastuksen vähentämiseksi, vaan sillä on oltava myös sähkökemiallinen korroosionkestävyys metalli-ionien saostumisen estämiseksi ankarassa polttokennoympäristössä. Siksi AC:n ainutlaatuiset fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet vastaavat hyvin kaksinapaisten metallilevypinnoitteiden käyttövaatimuksia. AC:n mikrorakennekoostumusta voidaan säätää erilaisilla valmistusprosesseilla ja parametriolosuhteilla, jolloin sen kovuus, kemiallinen inertisyys, johtavuus ja muut ominaisuudet voidaan muuttaa vastaamaan metallisten bipolaaristen levyjen teknisiä vaatimuksia.
Valmistautuminen
Tyhjiötekniikan nopean kehityksen ansiosta vaihtovirtaa varten on nyt olemassa erilaisia valmistusmenetelmiä. Erilaisia valmistusmenetelmiä on integroitu ja opittu toisiltaan erilaisten teknisten alojen kehittämiseksi. Yleisimmät ja tyypillisimmät ovat seuraavat:
Magnetronisputterointi on PVD-pinnoitusmenetelmä, joka käyttää magneettikenttää sputterointikaasun ionisaationopeuden lisäämiseksi sputteroinnin tuoton lisäämiseksi. Se on käynyt läpi monia optimointeja ja saanut sarjan balansoituja, epätasapainoisia, AC-, pulssi- jne. Tekninen ala, sitä on käytetty laajasti metallien bipolaaristen levyjen pinnoituksessa viime vuosina. Tällä menetelmällä valmistetulla kalvokerroksella on yleensä hyvä tiheys ja tasaisuus, ja se pystyy pitämään substraatin suhteellisen alhaisessa lämpötilassa pinnoitusprosessin aikana, mikä ei ainoastaan paranna tuotantotehokkuutta, vaan myös vähentää alustan synnyttämän lämmön vaikutusta kalvoon. kerros. Haitalliset vaikutukset organisaatioon.
Plasma-tehostettu kemiallinen höyrypinnoitus (PECVD) on höyrypinnoitustekniikka, joka tuo matalan lämpötilan plasmaa CVD-järjestelmään. Koska plasman läsnäolo lisää reagoivien aineiden kemiallista aktiivisuutta, mikä vähentää kalvonmuodostuslämpötilaa ja lisää reaktionopeutta. Che et ai. valmisti vetyä sisältävän amorfisen hiilikalvon, joka voidaan levittää bipolaarisille levyille PECVD:n kautta. Saostusnopeus voi olla lähes 40 nm/min ja samalla varmistaa suorituskyvyn ja korkean valmistelutehokkuuden.
Ionipinnoitus jaetaan pääasiassa kahteen luokkaan: haihdutusionipinnoitus ja ruiskutusionipinnoitus. Se on tekniikka, joka ionisoi pinnoitemateriaalit ja kerrosta ne alustan pinnalle. Suurienergisten ionien pommittaminen ei voi muodostaa vain pseudo-diffuusiokerrosta kalvon/substraatin rajapinnalle, mikä parantaa sidoslujuutta, vaan myös tuottaa suuritiheyksisiä vikoja substraatin pinnalle, mikä lisää huomattavasti ytimien tiheyttä ja lisää kalvonmuodostusnopeus.
Bipolaaristen levyjen hiilipinnoitustekniikka
AC on jo saavuttanut suhteellisen kypsää tutkimusta metallibipolaaristen levypinnoitteiden soveltamisessa. Yu et ai. valmistettu AC 316L ruostumattomasta teräksestä pulssibiasionipinnoituksella. Suuren sp2-klustereiden määrän vuoksi saadaan aikaan elektronien migraatioreitti, mikä vähentää merkittävästi matriisin kosketusresistanssia. Kuitenkin johtuen kalvon sisäisen jännityksen kertymisestä ja lämpöjännityksen vaikutuksesta valmistusprosessin aikana, AC-kalvot, jotka on valmistettu yksinkertaisesti metallisten bipolaaristen levyjen pinnalle, ovat alttiita halkeilemaan ja putoamaan, mikä vaikeuttaa korkeiden kestävyysvaatimusten täyttämistä. käytännön sovelluksissa. Siksi monet ihmiset ovat tehneet kohdennettua tutkimusta kalvon jännityksen vähentämiseksi ja kalvopohjan sidoslujuuden parantamiseksi.
Metallin siirtymäkerroksen valmistaminen ja metalliatomien seostus sidosvoiman parantamiseksi on yksi ilmeisemmistä tavoista. Metalliatomien lisääminen vähentää jännitystä, kovuutta ja Youngin moduulia kalvon sisällä. Jotkut tutkijat valmistivat W-siirtymäkerroksen substraatin pinnalle ennen hiilikalvon valmistamista ja vertasivat W-kerroksen sisältävää hiilikalvoa puhtaaseen hiilikalvonäytteeseen. Tulokset osoittavat, että hiilikalvonäytteellä W-siirtymäkerroksella on parempi sidoslujuus
AC-kalvon nanonaarmutestitulokset
AC:n erityisen mikrorakenteen ansiosta hiilikalvojärjestelmässä ei voi esiintyä vain sp2- ja sp3-sidoksia, vaan se mahdollistaa myös muiden alkuaineatomien seostuksen. Erityisesti erityyppisten ja -pitoisuuksien metalliatomien seostus auttaa merkittävästi säätelemään erilaisten hybridisidosten pitoisuutta hiilikalvossa. Seostetut metallit voivat esiintyä karbidien, metalliklustereiden ja metallioksidien muodossa. Erilaiset olemassaolon muodot Se antaa myös hiilikalvolle erilaisia suorituskykyjä. Esimerkiksi Li et ai. käytti DC-balansoitua magnetronisputterointitekniikkaa valmistaakseen AC-kalvoja, joissa oli erilaisia ti-seostettuja määriä 316 litran ruostumattomasta teräksestä. Ti-seostus parantaa merkittävästi AC-kalvon rakennetta, välttää suuren mittakaavan pylväskiteiden kasvua ja lisää kalvokerroksen tiheyttä. Ti-atomien lisääminen edistää AC-kalvon sp2-hybridisaatiota ja Ti-seostusmäärän lisääminen edistää karbidien muodostumista, mikä parantaa merkittävästi kalvon johtavia ominaisuuksia.
AC-kalvon poikkileikkaus Ti-dopingin jälkeen
Yleensä seostettujen metallien esiintyminen AC-kalvoissa on erilaista, mikä johtuu pääasiassa metalliseostuksen määrän vaikutuksesta. Zhang käytti suljetun kentän epätasapainoista magnetronisputterointitekniikkaa valmistaakseen AC-kalvoja, joissa oli erilaisia Ag- ja Cr-seostusmääriä 316L:n pinnalla. Koska pehmeän metallifaasin Ag läsnäolo lisää kerrostuneiden atomien diffuusioastetta, kun Ag:n inkorporaatiokonsentraatio kasvaa, hiilikalvon pintamorfologia jakautuu vähitellen tasaiseksi ja Ag kasvaa vähitellen klusterin aggregoitumisen muodossa. Kun Cr on seostettu ja saavuttaa tietyn pitoisuuden, Cr-karbidin nanokiteet saostuvat kalvoon aiheuttaen koon kutistumista läheisellä alueella, jolloin saavutetaan kalvon tiheyttä edistävä vaikutus. Sen lisäksi, että Ag:n ja Cr:n yhteisseostaminen voi merkittävästi parantaa Ramanin ID/IG:tä, mikä ei ainoastaan lisää sp2-suhdetta kalvossa, vaan myös tekee sp2-sidoskonfiguraatiosta kompaktimman.
AC-kalvon morfologia erilaisissa Ag- ja Cr-seostuspitoisuuksissa
Se ei kuitenkaan tarkoita, että mitä suurempi seostusaineiden pitoisuus on, sitä parempi on kalvon kokonaissuorituskyky. Vaikka korkean pitoisuuden Ag-seostus lisää elektronien siirtoreittiä kalvokerroksessa, upotetuista suurikokoisista Ag-klustereista tulee ensisijainen korroosiovyöhyke, joka tarjoaa reitin elektrolyytille levitä kalvokerrokseen. Ja johtuen Ag-nanoklusterien liukenemisesta ja Cr-oksidin muodostumisesta, ICR kasvaa potentiostaattisen polarisaation jälkeen.
ICR muuttuu korroosionkestävyystestin jälkeen
Tee yhteenveto
On olemassa monia prosesseja, joilla parannetaan metallisten bipolaaristen levyjen suorituskykyä säätämällä amorfisten hiilipinnoitteiden rakennetta, ja jokainen tekee kovasti töitä kehittääkseen ja kokeillakseen niitä useisiin eri suuntiin. Kuitenkin, kuinka parantaa bipolaaristen levyjen käyttöikää ja samalla vähentää kustannuksia, on aina ollut keskeinen kysymys suurissa kaupallisissa sovelluksissa. Ehisen on myös tehnyt paljon tutkimusta ja todentamista edellä mainituissa asioissa, ja sillä on täydellinen bipolaarinen levyarviointijärjestelmä. Syvällisen viestinnän ja yhteistyön kautta tavarantoimittajien kanssa Ehisen kehittää korkean suorituskyvyn metallisia bipolaarisia levykomponentteja. Tällä hetkellä Ehisenin käyttämät uusimmat hiilipinnoitetut metalliset bipolaariset levyt ovat läpäisseet kattavat suorituskykytestit ja tiukat online-kestävyystestit, ja ne riittävät tukemaan pinon yli 20,{5}} tunnin käyttöikää. Uuden sukupolven hiilipinnoitettujen metallisten bipolaaristen levyjen käyttö ei ainoastaan paranna pinon suorituskykyä alkuperäisellä pohjalla, vaan myös vähentää huomattavasti pinon kustannuksia.
liittyvät tuotteet ehisenissä
Klikkaa tuotteen nimeä saadaksesi lisätietoja tuotteista!