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宽温域质子交换膜在燃料电池中的研究进展

膜科学与技术 2024年

作者：张良刘梦娇梁家珍朱丹依黄菲薛立新高从堦膜分离与水科学技术研究院浙江工业大学化学工程学院温州大学化学与材料工程学院

质子交换膜燃料电池(protonexchangemembranefuelcells，PEMFCs)因其功率密度高、体积质量小、运行安全可靠和环境友好等优点而备受重视，在便携式设备、交通运输以及固定装置等领域具有重要应用前景。质子交换膜(protonexchangemembran... 详细信息

质子交换膜燃料电池(protonexchangemembranefuelcells，PEMFCs)因其功率密度高、体积质量小、运行安全可靠和环境友好等优点而备受重视，在便携式设备、交通运输以及固定装置等领域具有重要应用前景。质子交换膜(protonexchangemembrane，PEM)作为核心部件，对PEMFCs的综合性能和操作灵活性起到了直接的影响。然而，目前常规的两种PEM(以磺酸型水基和芳杂环型磷酸基电解质为代表)仅能在各自有限的温度和湿度(relative humidity，RH)范围内使用(80～90oC/100% RH、120～200oC/0% RH)，仍存在诸多技术壁垒需要克服，制约了PEMFCs的商业化发展。本文将结合近年来国内外研究进展，以关键性科学问题为导向，梳理并归纳了宽温域质子交换膜的构建策略与优化思路，并对未来的发展方向与趋势做出展望。

关键词：燃料电池质子交换膜宽温域服役温度质子传导稳定性

服役温度对BFRP/铝合金粘接接头静态失效的影响

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交通运输工程学报 2020年第1期20卷 171-180页

作者：谭伟那景新慕文龙秦国锋申浩吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室吉林长春130022 广西师范大学职业技术师范学院广西桂林541004

在车辆轻量化设计过程中,为了预测BFRP/铝合金粘接接头在服役温度下的静态失效行为,加工了处于拉应力、剪应力与拉剪组合应力状态的粘接接头,根据车辆服役温度特点,选取-40℃、-10℃、20℃、50℃、80℃五个温度测点,通过准静态拉伸试验... 详细信息

在车辆轻量化设计过程中,为了预测BFRP/铝合金粘接接头在服役温度下的静态失效行为,加工了处于拉应力、剪应力与拉剪组合应力状态的粘接接头,根据车辆服役温度特点,选取-40℃、-10℃、20℃、50℃、80℃五个温度测点,通过准静态拉伸试验,得到不同应力状态下接头失效强度随温度的变化规律,分析了粘接接头失效形式和失效准则;基于粘接接头在不同温度下的拉、剪应力,建立了接头的二次应力失效准则方程,对不同温度下的接头强度进行失效预测。分析结果表明:粘接接头的失效强度受温度的影响明显,随温度升高,失效强度减小;粘接接头中剪应力和拉应力的不同占比也会对接头失效强度造成一定的影响,随着剪应力比例增大,温度升高使接头失效强度下降更明显;相比于低温-40℃,高温80℃时的拉伸接头与剪切接头失效强度的下降幅度分别为47.77%与61.49%;随着温度升高,粘接剂的失效应力和杨氏模量逐渐减小,而失效应变逐渐增大,说明温度很大程度上影响了粘接剂的力学性能;粘接接头失效形式为内聚和纤维撕裂的混合失效,拉应力作用下接头更容易发生纤维撕裂,并且随温度升高,纤维撕裂面积减小,因此,为了防止纤维撕裂,需要避免粘接接头受拉应力作用;粘接接头在不同温度下的二次应力失效准则曲线拟合精度均在0.957以上,并绘制了失效准则响应曲面,直观反映了粘接接头失效强度在车辆服役温度下的变化规律。

关键词：车辆工程玄武岩纤维复合材料粘接接头服役温度静态失效失效形式失效准则

服役温度对多壁碳纳米管/Li_(1.18)Ni_(0.15)Co_(0.15)Mn_(0.52)O_(2)复合正极材料性能的影响

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无机化学学报 2021年第4期37卷 661-667页

作者：王玉慧张循海王超会齐齐哈尔大学材料科学与工程学院齐齐哈尔161006

通过煅烧的方式制得多壁碳纳米管(MWCNT)质量分数为3%的MWCNT/Li1.18Ni0.15Co0.15Mn0.52O2锂离子电池复合正极材料,并测试了复合正极材料在不同服役温度环境下的电化学性能:-20和60℃下服役时,其放电容量分别高达169、303 mAh·g^(-1),... 详细信息

通过煅烧的方式制得多壁碳纳米管(MWCNT)质量分数为3%的MWCNT/Li1.18Ni0.15Co0.15Mn0.52O2锂离子电池复合正极材料,并测试了复合正极材料在不同服役温度环境下的电化学性能:-20和60℃下服役时,其放电容量分别高达169、303 mAh·g^(-1),且展示出良好的倍率性能和循环稳定性。结合电化学阻抗测试结果可知,MWCNT均匀附着在层状粒子的表面,有效减少了电解液对电极材料的侵蚀,阻碍了表面膜的生成,同时提高了材料的电子电导率。

关键词：富锂层状正极材料多壁碳纳米管服役温度电化学性能

不同服役温度下环境湿度对碳/铜接触载流摩擦学行为的影响

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不同服役温度下环境湿度对碳/铜接触载流摩擦学行为的影响

作者：李含欣华东交通大学

学位级别：硕士

受电弓/接触网系统是电力机车关键的受流部件,起着至关重要的作用。碳滑板与铜导线之间的接触状态不仅会影响两者的损伤行为,还会限制弓网系统的受流质量。列车在运行过程中会经历湿度起伏变化的环境,例如川藏铁路隧道总长占比70.2%,部... 详细信息

受电弓/接触网系统是电力机车关键的受流部件,起着至关重要的作用。碳滑板与铜导线之间的接触状态不仅会影响两者的损伤行为,还会限制弓网系统的受流质量。列车在运行过程中会经历湿度起伏变化的环境,例如川藏铁路隧道总长占比70.2%,部分隧道内湿度或达到80%以上,而干燥路段的湿度仅10%左右。湿度会通过吸附和化学反应影响接触状态,进而影响摩擦副的摩擦学性能和磨损机理,同时,不同服役温度下湿度的影响存在差异。特别是当电流存在时,对摩擦行为的影响将变得更加复杂。近年来,关于弓网系统的载流摩擦学行为研究主要集中在速度、载荷、电流等方面,环境湿度对碳滑板磨损的影响鲜有报道。本文利用往复式载流摩擦磨损试验台在20℃、0℃和-20℃三种服役温度下,研究了四种环境湿度(10%RH、35%RH、60%RH和85%RH),三种电流强度(0A、5A和10A)对碳/铜接触载流摩擦学行为的影响,通过对比分析摩擦系数、接触电阻、电弧放电能量、碳/棒试样的损伤形貌,归纳不同服役温度下环境湿度对碳/铜接触载流摩擦学行为的影响,明确了各环境温湿度与碳/铜磨损损伤的关系,并建立了环境影响下的载流模型,揭示了温湿度对非载流和载流工况下碳/铜摩擦学行为的影响和损伤作用机制。得出主要结论如下:(1)常温下环境湿度对摩擦系数有显著影响,平均摩擦系数随湿度的增加而减小。相同湿度下电流越大,摩擦系数越小,而当电流增大到一定程度时,湿度对摩擦系数的影响减弱;较高湿环境下,接触电阻有增大的趋势,不利于滑动电导率,同时,电弧现象增多,导致电弧放电能量较高;载流摩擦过程中产生的摩擦热和焦耳热,提供了能量来影响碳棒磨损表面的晶体结构向石墨化转变的进程,且此过程还受到氧化介质和水介质对表面接触状态的影响作用;对于碳/铜接触载流滑动,在低湿环境中材料转移和氧化磨损显著,随着湿度的增加,氧化磨损和粘着磨损逐渐减少,磨粒磨损占主导地位。(2)不同服役温度下,非载流工况时20℃的平均摩擦系数最高,-20℃次之,0℃最小,而载流工况时0℃的平均摩擦系数最高;低湿环境下的摩擦系数高于高湿环境下,且高湿环境下摩擦系数的差异值更大;0℃时的接触电阻最大,滑动电导率最差,不同服役温度下电弧放电能量差异较小;低湿环境下碳棒试样的磨损体积随着服役温度的降低而升高,高湿环境则正好相反;0℃时粘着现象被抑制,基本无材料转移,-20℃时碳棒和铜棒试样磨损形貌差异较大,磨粒磨损占主导地位,但低湿环境时主要表现为深且密的犁沟,高湿环境下表现为分层剥落。(3)载流摩擦学行为主要与摩擦副接触表面状态有关。20℃时,低湿环境下表面干燥,氧化反应剧烈,高湿环境下表面易形成水膜,水膜可充当水桥作用,传递电流,但易产生电弧烧蚀现象。低温会改变表面水汽存在的状态,0℃时水汽会结冰成霜,但由于温升而处于霜和水共存的混合状态,损伤加剧,导电率差。-20℃时表面吸附更多水汽,可形成完整冰膜,表面更加光滑平整,但在磨屑和碎冰的共同作用下,磨粒磨损严重。

关键词：载流摩擦环境湿度服役温度碳/铜接触弓网系统损伤机制

镍基高温合金U720Li在750℃不同氧化阶段的恒温氧化行为

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特殊钢 2024年第1期45卷 12-17页

作者：秦墨周赵广迪武金江赵媛媛王国安辽宁科技大学材料与冶金学院鞍山114051

航空发动机涡轮盘服役温度的不断升高,对材料的抗氧化性能提出了更严苛的要求。U720Li合金是一种具有较高承温能力的涡轮盘用镍基高温合金,其长期服役温度高达750℃。阐明该合金在服役温度下的氧化行为,对延长涡轮盘的服役寿命具有重要... 详细信息

航空发动机涡轮盘服役温度的不断升高,对材料的抗氧化性能提出了更严苛的要求。U720Li合金是一种具有较高承温能力的涡轮盘用镍基高温合金,其长期服役温度高达750℃。阐明该合金在服役温度下的氧化行为,对延长涡轮盘的服役寿命具有重要意义。本文采用静态增重法测定了锻态U720Li合金在750℃的氧化动力学曲线,用XRD、SEM-EDS等手段分析了不同氧化阶段的氧化膜形貌、结构及元素分布。结果表明,U720Li合金在其服役温度下具有优异的抗氧化性能,在750℃的恒温氧化动力学曲线大致遵循立方规律,达到了完全抗氧化级别。分析认为,U720Li合金在氧化初期生成了疏松的γ-Cr_(2)O_(3),随着氧化的进行,γ-Cr_(2)O_(3)层不断剥落,氧化膜变得更加连续致密并形成复杂多层结构,且在氧化膜附近基体内形成γ'贫化层。在稳定氧化阶段,氧化膜更加连续致密并形成规整的双层结构,包括致密的α-Cr_(2)O_(3)外氧化层和α-Al_(2)O_(3)内氧化层。连续致密的α-Cr_(2)O_(3)和α-Al_(2)O_(3)层的形成能够有效阻止氧的内扩散及合金元素的外扩散,保障了U720Li合金的优异抗氧化性能。

关键词： U720Li合金氧化行为氧化膜 γ'贫化层服役温度

服役温度和时间对TA2/Q235爆炸复合板接头组织及硬度的影响

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兵器材料科学与工程 2020年第3期43卷 80-83页

作者：杨洪波康佳郭龙创姚沛文西安建筑科技大学冶金工程学院陕西西安710055 宝钛集团有限公司陕西宝鸡721003

用热处理方式模拟TA2/Q235爆炸复合板服役过程,揭示温度对复合板接头组织及硬度的影响规律;利用EBSD获取TA2/Q235爆炸复合板200℃服役不同时间后样品的应力等高线图谱,探讨残余应力分布规律。结果表明:TA2/Q235爆炸焊接复合板,200~400... 详细信息

用热处理方式模拟TA2/Q235爆炸复合板服役过程,揭示温度对复合板接头组织及硬度的影响规律;利用EBSD获取TA2/Q235爆炸复合板200℃服役不同时间后样品的应力等高线图谱,探讨残余应力分布规律。结果表明:TA2/Q235爆炸焊接复合板,200~400℃服役168 h内,接头显微组织无明显变化,硬度在10 h内起伏波动后上升;600℃服役10 h后,Q235开始再结晶,服役168 h后结合区TA2和Q235部分组织反常长大,硬度在10 h内起伏波动后下降;复合板焊接过程中加工硬化主要发生在Q235钢一侧。

关键词： TA2/Q235 服役温度硬度残余应力组织

温度对动车组车轮钢服役次生疲劳裂纹起裂扩展特性影响

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中国机械工程 2020年第3期31卷 261-266页

作者：方修洋黄伟王俊国西南交通大学机械工程学院

高速动车组车轮材料在严酷服役温度条件下的抗疲劳裂纹起裂与扩展能力是制定车轮合理维修周期和进行服役寿命评估的基础。选用高速动车组用ER8C车轮钢作为研究对象,对其在-60～60℃服役温度范围内进行了应力疲劳试验及疲劳失效机制探讨... 详细信息

高速动车组车轮材料在严酷服役温度条件下的抗疲劳裂纹起裂与扩展能力是制定车轮合理维修周期和进行服役寿命评估的基础。选用高速动车组用ER8C车轮钢作为研究对象,对其在-60～60℃服役温度范围内进行了应力疲劳试验及疲劳失效机制探讨。结果表明:随着测试温度的升高,轮辋、轮辐材料疲劳寿命均呈现出显著缩短趋势;在较高的服役温度条件下,试样出现了半椭圆形的次生疲劳裂纹起裂扩展形貌特征,且由于轮辋与轮辐不同位置材料强度韧性的差异,使得产生次生疲劳裂纹起裂扩展形貌特征所对应的温度条件不同,对于轮辋材料,当试验温度升高到50℃时,试样开始产生次生疲劳裂纹,而对于轮辐材料,当试验温度升高到30℃时,试样便开始产生次生疲劳裂纹;通过对主次生疲劳裂纹的扩展特性比较分析可知,随着应力强度因子幅值的增大,材料微观薄弱区域由珠光体片层层间转变为珠光体团晶粒边界。

关键词：车轮钢疲劳裂纹扩展次生裂纹服役温度

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核电主泵卸载电磁铁服役温度与运行寿命研究

设备管理与维修 2023年第23期 57-60页

作者：嵇永臣江苏核电有限公司江苏连云港222000

核电主泵卸载电磁铁的作用是提供与一回路压力反向的轴向力,从而减小轴向推力,减轻主泵启动、运行、停用过程中轴承的摩擦力,达到方便启动、减少释热率及提升惰转性能的目的。分析主泵推力轴瓦磨损与卸载电磁铁投运关系,分析电磁铁长期... 详细信息

核电主泵卸载电磁铁的作用是提供与一回路压力反向的轴向力,从而减小轴向推力,减轻主泵启动、运行、停用过程中轴承的摩擦力,达到方便启动、减少释热率及提升惰转性能的目的。分析主泵推力轴瓦磨损与卸载电磁铁投运关系,分析电磁铁长期投运时出现的故障,基于老化寿命模型推算出期望的服役温度限值,结合电磁铁换热仿真结果获得电磁铁不同运行电流下的服役寿命,为卸载电磁铁优化研究提供参考和指导。

关键词：主泵轴瓦故障分析卸载电磁铁长期运行服役温度

服役温度对TA2/Q235爆炸焊接复合材料微观组织影响的研究及剪切断口分形表征

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服役温度对TA2/Q235爆炸焊接复合材料微观组织影响的研究及剪切断...

作者：姚沛文西安建筑科技大学

学位级别：硕士

爆炸焊接复合材料因其优异的性能、较低的成本,常用于制作耐腐蚀容器和设备,在航空航天、石油、化工、军工等领域得到了广泛的应用。这种复合材料在焊接过程中会受到剧烈的爆轰冲击,产生不同程度的塑性变形,焊后内部存有大量的残余应力... 详细信息

爆炸焊接复合材料因其优异的性能、较低的成本,常用于制作耐腐蚀容器和设备,在航空航天、石油、化工、军工等领域得到了广泛的应用。这种复合材料在焊接过程中会受到剧烈的爆轰冲击,产生不同程度的塑性变形,焊后内部存有大量的残余应力,应力腐蚀会使其结合处在服役过程中开裂。爆炸复合板的剪切强度通常用于评判其结合强度。可见,对服役过程中爆炸复合材料剪切行为的研究是一个重要的课题。本文以TA2/Q235爆炸复合板为研究对象,探讨了退火工艺对复合板组织性能的影响规律;通过热处理模拟服役温度,对复合板结合界面剪切行为进行了研究,并利用分形理论建立了服役后材料剪切断口力学性能与断口形貌间的关系。主要研究内容与结论如下:(1)TA2/Q235爆炸复合板经不同温度及时间的退火处理后,通过对其组织及性能的观察测试,确定最佳退火工艺为575℃保温1h。(2)通过热处理模拟服役温度,微观组织、显微硬度及剪切试验的结果表明服役温度应在600℃以下,否则容易造成结合区力学性能的快速下降。(3)通过对剪切断口的形貌观察,指出TA2/Q235剪切断口同时具备韧性断口、准解理断口以及解理断口的特征。200℃服役时,韧性断裂及准解理断裂形貌将向解理断裂形貌转变;400℃服役时没有明显变化;600℃服役时时解理断裂形貌向韧性断裂形貌发展。(4)利用matlab对扫描断口形貌进行二值化处理及分形运算,断口分形维数与剪切性能仅有定性关系,断口分形维数随剪切强度下降而增大,分形谱跨度差则与剪切强度间呈负相关线性关系。

关键词： TA2/Q235 晶粒度服役温度剪切分形