مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب)

F1875

تجزیه و تحلیل مشخصه رشد
برای مشخصه رشد پوشش MAO توسط حالت جریان بالا، شکل 4, فرآیند تغییر پویای ضخامت پوشش در دو طرف را نشان می دهد. این را می توان دید که نرخ رشد دو طرف اساساً همزمان بدون تفاوت بزرگ است. نرخ رشد تقریباً نزدیک به 0 قبل از 70 ثانیه است، یعنی، تنها یک لایه بسیار نازک بر روی سطح تشکیل می شود که اندازه گیری دقیق آن مشکل است. در مرحله رشد سریع MAO از 70 تا 200 ثانیه، ضخامت فیلم دو طرف هر دو به طور قابل توجهی افزایش می یابد و نرخ رشد نیز به مقدار کرانی خود 13.43 میکرومتر / دقیقه و 12.87 میکرومتر / دقیقه می رسد. در مقایسه با مرحله قبل، نرخ رشد پس از 200 ثانیه به درجه خاصی کاهش می یابد، به جز ضخامت پوشش همه اضلاع، به طوری که دو طرف پوشش می توانند اساساً با هم رشد کنند. با این حال تخلیه بر یک طرف متمرکز می شود و منجر به ادامه افزایش تا پایان در یک نرخ ثابت 3.30 میکرومتر / دقیقه می شود. در نهایت، ضخامت پوشش متوسط 66 میکرومتر است. از قوانین بالا می توان حدس زد که بودجه انرژی در دسترس فراهم شده توسط جریان بالا برای برآورده سازی الزام تخلیه در رشد فیلم در همان سمت توسط MAO جریان-پایین کافی است. در نتیجه، دو طرف پوشش ساخته شده توسط MAO کم انرژی با هم در اول فرآیند MAO رشد کردند اما به طور غیر همزمان در فرآیند اواخر MAO به طور مداوم در پایان [12] تکامل یافتند.

قاعده فرآیند پویا در رشد پوشش MAO نشان می دهد که ضخامت پوشش با تنظیم پارامترهای فرایند به منظور برآورده سازی نیازهای مختلف در مهندسی قابل کنترل است.
3.4. تجزیه و تحلیل رشد پوشش به سمت داخل و رشد به بیرون
دیاگرام شماتیک رشد پوشش MAO در آلیاژ منیزیم در شکل. 5 نشان داده شده است. خطوط تکه تکه, سطح اصلی آلیاژ منیزیم را نشان می دهد، h به معنی ضخامت کل پوشش، a به معنی ضخامت قسمت رشد به بیرون و b به معنای ضخامت قسمت رشد به درون [15] است. H1 به معنی ضخامت کلی نمونه پس از MAO است. H0 به معنی ضخامت نمونه خالی است. H1 H0 هر دو توسط میکرومتر اندازه گیری شدند.

در حال حاضر، نظرات مختلف در مورد نظریه مکانیسم رشد هنوز [8-10،13] وجود دارد. در این مقاله، مشکل رشد به سمت داخل و به بیرون در حالت جریان بالا به طور مناسب بررسی شده است. شکل. 6 نشان می دهد که مقادیر ضخامت رشد به سمت داخل و به بیرون, هر دو در مراحل اول و دوم کم هستند و تنها یک فیلم بسیار نازک در سطح بستر تشکیل می شود. در مرحله رشد سریع MAO (70-200 ثانیه)، ضخامت هر دو رشد به سمت داخل و بیرون به طور قابل توجهی تغییر می کند. و حداکثر مقادیر نرخ رشد به سمت داخل و به بیرون به ترتیب 7.76 میکرومتر / دقیقه و 4.66 میکرومتر / دقیقه هستند. تصور می شود که به علت انرژی عظیم آزاد شده از جرقه تخلیه اکسیداسیون میکرو – قوس تحت جریان و دمای بالا که پس از آن فیلم تشکیل می شود, یون های بستر آلیاژ منیزیم و الکترولیت به سرعت در کانال تخلیه واکنش نشان می دهند. نرخ رشد به سمت داخل و به بیرون پس از 200 ثانیه کاهش می یابد وقتی که این فرایند MAO وارد مرحله خود تعمیر می شود. دو طرف پوشش بعداً به طور عمده رشد به بیرون خواهند داشت، و نرخ رشد به سمت داخل به 0.94 میکرومتر / دقیقه کاهش می یابد. دلیلش اینست که تنها مقدار کمی از الکترولیت می تواند از طریق کانال های تخلیه میکرو حرکت کند و با بستر به سمت داخل واکنش نشان دهد؛ الکترولیت بیشتر به سمت بیرون درگیر واکنش می شود. در نهایت، ضخامت بخش رشد به بیرون, بخش بزرگتری از ضخامت کل را می گیرد.

به منظور شهادت بیشتر برای این نتیجه بالا، یک راه برای ایجاد نیمی از یک نمونه تحت MAO وجود دارد؛ نیمه دیگر با رزین مهر و موم می شود. ریزساختار بیرون و درون پوشش اکسیداسیون میکرو – قوس در شکل 7 ارائه شده است. دیده می شود که ضخامت در رشد به سمت بیرون و درون در 90 و 180 ثانیه به نظر می رسد. با گسترش زمان اکسیداسیون، بخش رشد به بیرون از ضخامت به تدریج طول می کشد یک بخش بزرگتری از ضخامت کل در نقطه ای از 300 است.
3.5. تجزیه و تحلیل فاز پوشش
شکل. 8, به ترتیب نتایج پراش اشعه X پوشش های تولید شده در مراحل مختلف را نشان می دهد.
180 ثانیه: هنگامی که به 180 ثانیه می رسیم، پوشش در مرحله رشد سریع به طور عمده از منیزیم، MgO ، MgZn2 و SiO2 و Mg2SiO4 تشکیل شده است. در میان آنها، منیزیم و MgZn2 از بستر هستند. Mg به یون غلظت Mg2+ در ولتاژ و دمای بالا در مرحله اول فرآیند تبدیل می شود و این یونهای منیزیم تشکیل شده در طول فرآیند MAO با یونهای دیگر مانند OH- و SiO32- در کانال های تخلیه میکرو واکنش نشان می دهند. Mg2SiO4 توسط مهاجرت به بیرون غلظت Mg2+ فلز بستر به تخلیه کانال و مهاجرت به سمت داخل SiO3 2- از الکترولیت به کانال های تخلیه در دمای بالا تشکیل می شود.

480 ثانیه: در مقایسه با مرحله قبل، مرحله جدید در پوشش در مرحله خود-تعمیر در 480 ثانیه به نظر می رسد، مانند MgSiO3 و ZnO. روی در بستر و اکسیژن در الکترولیت در اکسید روی واکنش نشان می دهند. فاز MgSiO3 را می توان در دو واکنش مختلف در طول فرایند MAO تشکیل داد. در نوع اول واکنش، Mg2- یون با به طور مستقیم با توجه به کاهش مقدار O2 واکنش نشان می دهد. پس از آن، واکنش بین MgO و SiO2 در طول فرایند در دمای بالا رخ می دهد و MgSiO3 ایجاد می شود. دو واکنش در (معادله (7،8)) نشان داده شده است.

900 ثانیه: این یک فرآیند MAO کلی در 900 ثانیه است. مشخص شده که فاز های اصلی منیزیم، پریکلاز MgO، فورستریت Mg2SiO4 و MgSiO3 هستند. با توجه به تخلیه شدید جرقه ها و فرسایش شدید در آخرین مرحله، تحت اثر دمای بالا و مایع شدن, مگنزیا MgO و Mg2SiO4 به پریکلاز MgO و فورستریت Mg2SiO4 تبدیل می شوند، که دارای یک اثر قابل توجه بر بهبود عملکرد جامع پوشش است.
4. نتیجه گیری
فرآیند MAO و مکانیسم رشد پوشش اکسیداسیون میکرو – قوس روی آلیاژ منیزیم در حالت جریان ثابت تک به طور سیستماتیک بررسی شده است. نتایج اصلی به صورت زیر نشان داده می شوند
1. با توجه به منحنی ولتاژ-زمانی، فرآیند MAO را می توان به پنج قسمت تقسیم نمود، به نام مرحله اکسیداسیون آندی، مرحله سوراخ شدن فیلم پسیو، رشد سریع مرحله اکسیداسیون میکرو – قوس، مرحله تخلیه قوس الکتریکی بزرگ و مرحله خود تعمیر. در میان آنها، مرحله سوم, یک نقش کلیدی در ضخامت پوشش ایفا می کند و آخرین مرحله, نقش اصلی را در کیفیت فیلم بازی می کند.
2. تجزیه و تحلیل مشخصه رشد نشان می دهد که نرخ رشد دو طرف اساساً همزمان است، و پوشش به سمت بیرون و درون در همان زمان در مراحل اولیه رشد می کند ، اما رشد پوشش به بیرون بعداً غالب می شود.
3. پوشش عمدتاً از منیزیم، پریکلاز MgO، فورستریت Mg2SiO4 و MgSiO3 تشکیل شده است. عملکرد جامع آلیاژ ZK60 پوشش داده شده ممکن است به علت فاز های اصلی MgO و Mg2SiO4 با نقطه ذوب بالا استحکام بالا و مقاومت بهتر در برابر سایش افزایش یابد.

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب)

F1864

شکل 3، خواص تخلیه SCFCs (شکل 1a) را با استفاده از الکترولیت های LSGM ، SDC ، و YSZ در ترکیب سیال متان و هوا در 7008C نشان می دهد. این سلول ها با استفاده از الکترولیت های LSGM و YSZ، نیروهای الکتریکی (نیروی محرکه الکتریکی) 920 ولت را تولید نمودند که در آن پتانسیل الکترود نیکل (SDC) به ازای الکترود Sm0.5Sr0.5CoO3 منفی بود.
این مقدار نیروی محرکه الکتریکی تقریبا در توافق با اختلاف پتانسیل بین دو الکترود نشان داده شده در شکل 2 بود. با این حال، نیروی محرکه الکتریکی سلول با استفاده از الکترولیت SDC ، احتمالا به علت کاهش Ce41 به Ce31 توسط هیدروژن و مونوکسید کربن تشکیل شده توسط واکنش های 2 و 3، بیش از 733 میلی ولت نبود. اگر چه جریان می توانست به طور قابل توجهی از سه سلول کشیده شود، افت ولتاژ در طول تخلیه سلول با استفاده از الکترولیت LSGM، حداقل بود. طیف امپدانس آنها در محدوده 0.1 هرتز تا 100 کیلو هرتز در شرایط مدار باز بیشتر این مسئله را روشن می ساخت. مقاومت اهمی سلول ها با استفاده از الکترولیت هایLSGM ، SDC ، و YSZ 1.56 ، 1.72 و 2.90 V ، بود و مقاومت الکترود-واکنش برای الکترولیت هایLSGM ، SDC ، و YSZ 0.26 ، 0.53 و 1.22 V بود. چگالی توان پیک حاصل برای سلول با استفاده از الکترولیت LSGM تا 355 میلی وات cm22 رسید که با اوج چگالی توان 385 میلی وات cm22 برای SOFC هیدروژن هوای معمولی، سرمت نیکل Ce0.9Gd0.1O1.95 | LSGM با ضخامت 0.2 میلی متر | La0.6Sr0.4Fe0.8Co0.2O3 ، در 7008C گزارش شده توسط Huijsmans و همکاران قابل مقایسه بود. بر این اساس ، ما به این نتیجه رسیدیم که الکترولیت LSGM برایSCFC، مناسب است.
شکل 4، خواص تخلیه SCFC (شکل 1a) در ترکیب سیال متان و هوا بین 550 و 900 درجه را نشان می دهد . دو وابستگی غیر منتظره به درجه حرارت عملیاتی وجود دارد؛ افت ناگهانی از نیروی محرکه الکتریکی به 228 میلی ولت در 550 درجه و کاهش قابل توجهی در چگالی توان اوج در 900 درجه . به منظور درک این رفتار ،ترکیب گاز خروجی از نیکل ( SDC ) و یا محفظه کاری Sm0.5Sr0.5CoO3 در سلول دو محفظه ای (شکل B1) در ولتاژ مدار باز بین 550 و 9508C اندازه گیری شد. نتایج در شکل 5 خلاصه شده است. در محدوده 600 تا 800 درجه، مقدار نسبتا زیادی از هیدروژن و مونوکسید کربن در الکترود نیکل ( SDC ) (شکل 5A ) تولید شد ، در حالی که مقدار زیادی اکسیژن در الکترود Sm0.5Sr0.5CoO3 (شکل. 5B) واکنش نداده باقی ماند؛ بنابراین،نیروی محرکه الکتریکی و در نتیجه چگالی توان همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است، رفتار می کنند. با این حال در درجه حرارت عملیاتی 550 درجه، الکترود نیکل (SDC) به طور ناگهانی نسبت به واکنش 1-3 (شکل 5A ) بی اثر می شود که نشان می دهد که این الکترود دیگر به عنوان آند عمل نمی کند. این ناشی از واکنش پذیری بسیار کم متان است، به خصوص در دماهای پایین. بنابراین برای بهره برداری از SCFC زیر 550 درجه، استفاده از هیدروکربن واکنش پذیر تر و یا الکل به جای متان به عنوان سوخت ضروری است. از سوی دیگر، در دماهای کاری بالای 900 درجه، الکترود Sm0.5Sr0.5CoO3 به تدریج نسبت به این واکنش (شکل 5B ) فعال می شود که در نتیجه باعث افت واکنش 6 می شود. در مقاله قبلی،SCFC با استفاده از کاتد LSM عملکرد خوبی را حتی در 950 به نمایش گذاشت. به خوبی مشخص شده است که فعالیت کاتالیستی اکسیدهای perovskite بر اساس منگنز برای اکسیداسیون هیدروکربن ها، پایین تر از اکسیدهای perovskite بر اساس Co است، 24 که در نتیجه امکان ساخت الکترود LSM به عنوان کاتد در چنین درجه حرارت عملیاتی میسر می سازد.
عملکرد سلول در ترکیبات جاری از سایر سوخت ها و هوا – خواص تخلیه از SCFC (شکل 1a) در ترکیبات جاری از سایر سوخت و هوا در 5508C مورد بررسی قرار گرفت . شکل 6 نتایج با استفاده از اتان، پروپان، LPG ، و اتانول به عنوان سوخت را نشان می دهد . نیروی محرکه الکتریکی از سلول به طور قابل توجهی به 1000 میلی ولت برای اتان 972 میلی ولت برای پروپان، 931 میلی ولت برای LPG ، و 710 میلی ولت برای اتانول، و در نتیجه چگالی اوج توان 163 میلی وات cm22 برای اتان، 125 میلی وات cm22 برای پروپان، 94 مگاوات رسید cm22 برای LPG ، و 42 میلی وات cm22 برای اتانول افزایش یافته است. طیف امپدانس سلول ها با استفاده از اتان و پروپان نشان دهنده مقاومت های واکنش-الکترود نسبتا کمی به اندازه 0.91 و 1.10 V بود. این نشان می دهد که عملکرد سلول می تواند بیشتر با استفاده از یک فیلم LSGM حتی نازک تر بهبود یابد.
مدارک و شواهد برای این پیشنهاد توسط خواص تخلیه از SCFC (شکل 1a) با استفاده از الکترولیت LSGM با ضخامت های مختلف در ترکیب سیال اتان و هوا در 550 درجه در شکل 7 ارائه شده است.. نیروی محرکه الکتریکی سلول های باقی مانده در مقادیر تقریبا ثابت ، 1010 میلی ولت برای هر ضخامت الکترولیت تست شده است، اما افت ولتاژ در طول تخلیه سلول به شدت وابسته به ضخامت الکترولیت بود. در نتیجه، اوج چگالی توان 163-270 میلی وات cm22 با کاهش ضخامت الکترولیت 0.50-0.18 میلی متر افزایش یافت.
شکل 8 خواص تخلیه همان SCFC را همانند شکل 7 در یک ترکیب روان از اتان و هوا بین 350 و 700درجه نشان می دهد. همه این سلول ها حداکثر چگالی اوج توان را در 600 نشان دادند، که پایین تر از مقدار مشاهده شده با استفاده از متان توسط 200 درجه بود. این مورد بعداً با جزئیات مورد بحث قرار می گیر. مهمتر از این، افزایش چگالی اوج توان با کاهش ضخامت الکترولیت حتی در دمای پایین به اندازه 450 درجه بود که نشان می دهد که SCFC کنونی ممکن است به عنوان یک ژنراتور برق عملی و کارآمد در چنین شرایطی استفاده شود، به شرطی که چند فیلم LSGM با ضخامت میکرومتر بتوانند به شیوه ای مشابه با YSZ1، 3 و فیلم های ceria2 ساخته شون. به عنوان مثال، اوج چگالی توان حدود 300 میلی وات cm22 را می توان با استفاده از الکترولیت به ضخامت 10 میلی متر به دست آورد، با فرض اینکه که نیروی محرکه الکتریکی در 955 میلی ولت حفظ شود.
ترکیب گازهای خروجی از محفظه های کاری نیکل (SDC) و Sm0.5Sr0.5CoO3 (شکل B1) در شکل 9خلاصه شده است. فعالیت کاتالیزوری الکترود Sm0.5Sr0.5CoO3 به طور ناگهانی در بالای 700 درجه افزایش یافت، که در آن اکسیژن تقریبا به طور کامل توسط واکنش با اتان مصرف شد. بنابراین، کاهش نیروی محرکه الکتریکی و افزایش در پتانسیل بیش از حد کاتدیک به طور همزمان در چنین شرایطی رخ می دهند که در نتیجه کاهش قابل توجهی در دانسیته توان نشان داده شده در شکل 8 حاصل می شود. از سوی دیگر، فعالیت کاتالیزوری الکترود نیکل (SDC) به تدریج با کاهش درجه حرارت، کمتر شد. از رفتار سلول با استفاده از متان به عنوان سوخت نشان داده شده در شکل 4، می توان پیش بینی کرد که یک سلول با استفاده از اتان به عنوان سوخت زیر 350 درجه قادر به تولید یک نیروی محرکه الکتریکی بزرگ خواهد بود. با این حال، همچنین می توان انتظار داشت که پروپان و LPG به دلیل واکنش پذیری بالاتر نسبت به اتان و متان، سوخت های ارجح در چنین شرایطی خواهند بود.