质子交换膜燃料电池双极板Cr和CrN涂层的制备及性能研究

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质子交换膜燃料电池(PEMFC)的双极板长期于酸性工作环境(p H=3)中服役,但目前常用的双极板材料316L不锈钢(SS316L)在酸性介质的耐腐蚀性较差,表面接触电阻较高,水接触角较小,无法满足美国能源部(DOE)规定的双极板性能指标,因此需要在SS316L表面沉积防护涂层以改善性能。磁控溅射镀膜常用来制备金属及其化合物薄膜,沉积的薄膜具有晶粒细小,表面致密等优点。本文选用脉冲直流磁控溅射技术于基材SS316L上制备了Cr与CrN两种薄膜,通过检测薄膜的成分与结构、表面与截面形貌、表面粗糙度、耐腐蚀性、导电性与疏水性,探讨了沉积时的负偏压、N2分压与工作气压对薄膜的组织结构和性能的影响。沉积偏压方面,采用0 V、-100 V、-200 V、-300 V和-400 V的不同基体负偏压条件分别沉积了Cr与CrN薄膜。Cr薄膜由纯Cr组成,CrN薄膜由α-Cr+β-Cr2N组成。负偏压的施加可以改善薄膜的质量,沉积时的负偏压越大,制得的薄膜晶粒细密,表面缺陷少,耐腐蚀性越好,对导电性和疏水性也有一定贡献。在-400V时沉积的CrN薄膜综合性能最好,自腐蚀电流密度为3.49×10-7A/cm~2,表面接触电阻为9.38 mΩ·cm~2,水接触角为105.8°。氮气分压方面,采用25%、35%、45%和55%四种不同的N2分压制备了CrN薄膜,随N2分压的提高,薄膜中的N含量提升,结构由最初的α-Cr+β-Cr2N转变为β-Cr2N+CrN,最终变为CrN单相。N2分压较低时薄膜的导电性较好,N2分压较高时薄膜的耐腐蚀性较好,但过高的N2分压(55%)会导致薄膜质量下降,影响薄膜的导电性和耐腐蚀性。工作气压方面,采用1.02 Pa、0.55 Pa、0.28 Pa和0.21 Pa四种不同的工作气压沉积了CrN薄膜,随工作气压的升高,薄膜中的N含量小幅度提升,结构为CrN单相。工作气压的降低对沉积薄膜质量有明显的改善,工作气压为0.21 Pa时沉积的试样在耐腐蚀性、导电性和疏水性方面都呈现了最佳的性能。
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