بخشی از مقاله
چکیده
فرآیند اقتصادي پوشش دادن به روش سل-ژل و غوطه وري به منظور ایجاد پوششی یکنواخت، عاري از ترك، و چسبنده بر روي فولاد زنگ نزن به منظور کاربرد در اتصال دهنده هاي پیل سوختی اکسید جامد در این پروژه استفاده شد. ترکیبات مورد استفاده در این تحقیق، MnCo2O4 و Co3O4 می باشند. ترکیب اسپینلی بعد از آنیل نمونه هاي پوشش داده شده در محیط هوا به مدت یک ساعت در 750 ویا در محیط احیایی - Ar+5%H2 - به مدت یک ساعت و در همان دما و سپس حرارت دادن در محیط اکسیدي به مدت یک ساعت و در همان دما شکل می گیرد.
ضخامت پوشش تشکیل شده حدود 400nm می باشد. از مقایسه بین نمونه پوشش داده شده در محیط اکسیدي و نمونههاي پیش حرارت داده شده درمحیط احیایی اهمیت استفاده از محیط احیایی مشخص میشود. به منظور ساخت سل اولیه، مقدار کافی از MnCl2.4H2O و CoCl2.6H2O در آب مقطر به عنوان حلال، حل شده و سپس اسید سیتریک تک آبه به عنوان عامل کیلیت کننده اضافه می شود. ساختار سطح و فازهاي تشکیل شده بر اثر حرارت دادن ایزوترم توسط SEM و XRD grazing بررسی شد.
.1 مقدمه:
اتصال دهنده1 یکی از اجزاء مهم و اساسی در استاك پیل سوختی اکسید جامد مسطح2 است که اتصال الکتریکی بین سلهاي مجاور را برقرار میکند و همچنین به صورت فیزیکی گازهاي سوختی و اکسید کننده را از یکدیگر جدا میکند و وسیلهاي براي توزیع گازها به الکترودها است. به خاطر دماي کارينسبتاً بالا - - 1000، شرایط لازم براي مواد اتصال دهندهها بسیار باید دقیق باشد. اتصال دهندههاي سرامیکی که معمولاً از جنس پروسکایت LaCrO3 دوپ شده با Sr و Ca میباشند ، ساخت آنها دشوار و هزینه بر می باشد.
با توجه به پیشرفتهاي اخیر در ساخت وطراحی پیلهاي سوختی اکسید جامد، دماي کاري این پیلها از 1000 به رنج دماي متوسط - - 600-800 کاهش پیدا کرد. این امر استفاده از اتصال دهندههاي فلزي را امکان پذیر میسازد که از مزیت هاي همچون هدایت الکتریکی و حرارتی بالاتر، خواص مکانیکی بهتر و سهولت ساخت نسبت به نوع سرامیکی دارند.[1] در بین در تمامی مواد فلزي، فولادهاي زنگ نزن فریتی تشکیل دهنده کرومیا یکی از کاندیدهاي مناسب به منظور استفاده در اتصال دهندهها فلزي هستند که بهطور وسیع مورد مطالعه قرار گرفته اند که این بدین دلیل ضریب انبساط و مقاومت به اکسیداسیون عالی است.
7-2] به هرحال اکسیداسیون آلیاژهاي Fe-Cr - مانند SUS 430، Crofer 22 APU ، ZMG 22 APU، ZMG 232، - E-Brite در حین عملکرد پیل سوختی غیرقابل اجتناب است. پوستههاي اکسیدي رشد یافته حرارتی - کهاساساً شامل Cr2O3 و اسپینل Mn-Cr هستند - فولادهاي زنگ نزن که ممکن است اندازه آنها به دهها میکرون در دوره کارکرد پیل برسد، منجر به افزایش هدایت الکتریکی و حتی کنده شدن پوسته می شود وبالتبع باعث افت بازده استاك می شوند.
7] به علاوه ذرات فرار کروم - بیشتر به صورت ترکیب CrO3 و - CrO2 - OH - 2 از پوسته غنی از کروم تمایل به رسوب بر روي سطح کاتد ویا فصل مشترك کاتد/الکترولیت دارند که منجر به کاهش چشمگیر فعالیت کاتد و همچنین افت قابل ملاحظه بازده پیل میشوند.[10-8] بهبود سطح از طریق اعمال پوشش مخافظ روشی براي غلبه بر این مشکلات است. در چند سال اخیر پوشش هاي محافظ/هادي زیادي مانند اکسیدهاي پروسکایتی هادي، فلزات کمیاب و اکسیدهاي آنها و اسپینلها مورد مطالعه قرار گرفته اند.[17-11]
اسپینلها مولاًمع داراي هدایت الکتریکی خوب و ضریب انبساط حرارتی متناسب با زیرلایه فولادي و بقیه اجزاء سل دارند . پوششهاي اسپینلی میتوانند به عنوان یک سد براي نفوذ کاتیون کروم به لایه بیرونی عمل کنند. بنابراین مواد اسپینلی کاندیداي مناسب به منظور پوشش اتصال دهندهها محسوب میشوند.پوشش حاوي اسپینل حاوي Co/Mn اخراًی بسیار مورد توجه قرار گرفته است.[22-18 ,14] روش هاي مختلفی براي ایجاد پوشش بر روي اتصال دهندهها به کار رفته است مانند پاشش، چاپی، رسوب دهی الکتریکی و رسوب فیزیکی بخار. ولی به کار بردن این روشهامعمولاً در اشل صنعتی مشکل وهزینهبر است. در تحقیق روش مقرون به صرفه و اقتصادي سل-ژل به کار برده شدهاست و دو ترکیب اسپینلی با فرمول شیمیایی Mn Co 2O4 و Co3O4 به عنوان پوشش بر روي فولاد زنگ نزن به کاربرده شد و ساختار و مورفولوژي سطح مورد تحقیق قرار گرفته شد.
.2 مواد و روش تحقیق
ابتدا فولاد زنگ نزن تجاري AISI 430 با ضخامت 2mm به منظور استفاده زیرلایه در ابعاد 10*10mm به وسیلهي دستگاه وایرکات برش داده شد. به منظور ساخت سل مقدار لازم از پودرهاي MnCl2 · 4H 2O - Sigma-Aldrich, CAS: 13446-34-9 - و - Merck,CAS : 7791-13-1 - CoCl2*6H2O در آب مقطر با عنوان حلال حل شده و سپس اسید سیتریک تک آبه-Merck,CAS 5949 - 29 - به عنوان عامل کلیت کننده به محلول اضافه میشود و سپس به مدت زمان 24 ساعت محلول هم زده شد تا سل یکنواختی بدست آید. در مرحله بعد، هدف سنتز پودر بود. زیرا ترکیباتی کهبعداً قرار است روي زیر لایه پوشش داده شود، بایستی ابتدا صحت تشکیل این ترکیبات در همان شرایط بررسی شود.
لذا ابتدا سنتز این پودرها مورد مطالعه قرار گرفت و بدین منظور سل حرارت داده شد تا تبدیل به ژل شده و ژل بدست آمده در دماي 750 تکلیس شد سپس پودر تکلیس شده تحت آزمون پراش اشعه ایکس قرار گرفت. قبل از پوشش دهی و به منظور آماده سازي سطح زیر لایه، نمونههاي فولادي به وسیله سمباده و پولیش سطح آنها صیقلی شده و سپس در حمام التراسونیک به مدت 20 دقیقه در استون و سپس در الکل به همان مدت زمان قرار گرفتند تا سطح نمونهها عاري از هرگونه اکسیدي شده و آماده براي پوشش دهی شوند.
براي پوشش دهی از روش فروبري1 استفاده شد و نمونهها با سرعت 8cm/min داخل سل فروبرده شده و به مدت یک دقیقه در محلول نگه داشته شده و سپس با همان سرعت از محلول خارج میشود. نمونههاي پوشش داده شده در آون به مدت 80 دقیقه در دماي 180 حرارت داده شده تا مواد آلی تبخیر شوند. به منظور تکلیس، نمونه هاي پوشش داده شده در دماي 750 به مدت دو ساعت حرارت دادهشدند تا مواد فرار پوشش خارج شوند و سپس پوشش اکسیدي تشکیل شود. به منظور بررسی بهبود چسبندگی پوشش در حین خروج مواد فرار در حین حرارت دادن، دو محیط احیایی - Ar+5%H2 - و اکسیدي مورد مقایسه قرار گرفتند.
