Способ наноструктурирования поверхности металлического материала для изготовления электродов или электролитических мембран твердоокисных топливных ячеек путем лазерной абляции Российский патент 2025 года по МПК B23K26/352 B82B1/00 

Изобретение относится к области текстурирования поверхностей материалов, а именно, к способу наноструктурирования поверхности металлического материала для изготовления электродов или электролитических мембран твердоокисных топливных ячеек путем лазерной абляции, в частности металлокерамики из диоксида циркония, и может быть использовано при изготовлении электролитических мембран и электродов твердоокисных топливных элементов с характерными субмикронными перепадами по высоте рельефа поверхности.

Проблема получения электроэнергии с помощью твердоокисных топливных элементов является одной из важнейших задач современной энергетики, решение которой позволит существенно увеличить КПД тепловых электростанций и сократить количество вредных выбросов в окружающую среду. Одним из способов повышения эффективности твердоокисных топливных ячеек может стать увеличение ионной проводимости электролитических мембран за счет наноструктурирования их поверхности с использованием метода лазерной абляции.

Известен способ наноструктурирования поверхности материала, заключающийся в том, что воздействуют на граничащую с газом поверхность материала перемещающимся лазерным излучением с определенной длительностью и интенсивностью, осуществляют плавление поверхности материала и формирование наноструктуры рельефа определенной формы и размеров путем теплоотвода (RU 2291835, 2007 г.). В известном техническом решении выбирают материал, поглощающий излучение в средней ИК-области спектра, и обладающий малым температурным коэффициентом расширения, а именно кварцевое стекло, у которого плотность расплава материала при температуре затвердевания расплава равна плотности материала в твердом состоянии при температуре затвердевания расплава.

Существенным недостатком известного технического решения являются ограничение возможности применения материалов с требуемыми свойствами для изготовления электродов и мембран твердополимерных и твердоокисных топливных ячеек.

Известен способ наноструктурирования поверхности электродов и мембран твердополимерных и твердоокисных топливных ячеек методом лазерной абляции, в частности из диоксида циркония, заключающийся в том, что облучают поверхность материала перемещающимся лазерным пучком с определенной длительностью импульса и интенсивностью в облучаемой зоне, осуществляют плавление поверхности материала и формирование наноструктур рельефа определенной формы («Физика и химия обработки материалов», 2012 г., №6, стр. 15-19). В известном техническом решении после окончании действия импульса осуществляется процесс перехода жидкой фазы в твердую, причем затвердевание происходит при высоких скоростях охлаждения расплава за счет теплоотвода вглубь твердой фазы с образованием наноструктур в виде продольных царапин с характерным периодом между ними и перепадом высоты между впадинами и вершинами.

Наиболее близким из известных по технической сущности и достигаемым результатам является способ наноструктурирования поверхности электродов и мембран твердополимерных и твердоокисных топливных ячеек методом лазерной абляции, из различных материалов, в том числе из диоксида циркония, заключающийся в том, что облучают поверхность материала перемещающимся лазерным пучком определенной длительности импульса и интенсивности в облучаемой зоне, осуществляют плавление поверхности материала и формирование наноструктур рельефа в виде шероховатостей с определенным пространственным периодом (RU 2544892, 2015 г.). В известном техническом решении структура рельефа возникает в результате лазерной абляции из расплава материала в процессе его остывания. При этом плотность энергии лазерного пучка, обеспечивающая плавление материала, не должна приводить к сильному испарению поверхности, что обеспечивает характерный размер глубины расплава, и исключает возникновение на поверхности материала кратеров. Кроме того, в известном техническом решении выбор материала ограничен глубиной поглощения в нем лазерного излучения, поскольку при плотности падающей лазерной энергии, достаточной для плавления материала, не должно происходить сильное испарение материала поверхности.

Общим существенным недостатком известных технических решений, указанных выше, является низкая эффективность способов, не позволяющих обеспечить развитую поверхность границы раздела мембраны с электродами топливного элемента, и как следствие повысить каталитическую активность.

Техническая проблема, решаемая заявляемым изобретением, заключается в расширении арсенала технических средств, а, именно, в создании способа наноструктурирования поверхности электродов и мембран твердополимерных и твердоокисных топливных ячеек методом лазерной абляции, обеспечивающего повышение эффективности наноструктурирования материала.

Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого изобретения, заключается в реализации его назначения, т.е. в создании способа наноструктурирования поверхности электродов и мембран твердополимерных и твердоокисных топливных ячеек методом лазерной абляции, обеспечивающего повышение эффективности наноструктурирова ния материала путем увеличения площади реакционной поверхности и интенсификации приэлектродных процессов тепломассопереноса.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что при осуществлении способа наноструктурирования поверхности электродов и мембран твердополимерных и твердоокисных топливных ячеек методом лазерной абляции, заключающегося в том, что облучают поверхность материала перемещающимся лазерным пучком определенной длительности импульса и интенсивности в облучаемой зоне, осуществляют плавление поверхности материала и формирование наноструктур рельефа определенной формы и пространственного периода, согласно предлагаемому техническому решению предварительно помещают поверхность мембраны или электрода в охлаждающую жидкость на глубину 1 - 3 мм, в процессе облучения обеспечивают охлаждение расплава облучаемого материала за счет теплоотвода в охлаждающую жидкость и формируют наноструктуры в виде застывших нанокапель на конусовидных ножках определенной высоты, изменяют интенсивность излучения лазерного пучка в зависимости от материала мембраны или электрода и коэффициента К увеличения их реакционной поверхности, который определяют из условия необходимого увеличения реакционной поверхности не менее чем в 5 раз по отношению к исходной гладкой поверхности из следующего соотношения:

где:

τ - длительность импульса, с;

I - интенсивность лазерного пучка в облучаемой зоне, Вт/м²;

σ - коэффициент поверхностного натяжения расплава металла, Н/м;

a _m2 - коэффициент температуропроводности твердого металла, м²/с;

Н - высота конусовидных ножек, м.

Существенность отличительных признаков технического решения подтверждается тем, что только совокупность всех признаков, описывающая предлагаемое техническое решение, позволяет обеспечить решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата.

Существенные признаки могут иметь развитие и продолжение, а именно, в качестве охлаждающей жидкости используют деионизированную воду, метанол, или изопропанол.

Изобретение поясняется следующим подробным описанием и иллюстрацией, на которой изображена схема реализации способа.

На чертеже приняты следующие обозначения:

1 - обрабатываемая поверхность материала;

2 - защитный слой жидкости;

3 - источник лазерного излучения;

4 - коллиматор;

5 - отклоняющая система;

6 - фокусирующая система.

Способ реализуется следующим образом.

Обрабатываемую поверхность 1 материала для изготовления электролитических мембран и электродов твердоокисных топливных элементов помещают в фокальной плоскости источника 3 лазерного излучения под слоем 2 охлаждающей жидкости, толщина которой составляет 1,0 - 3,0 мм. В качестве охлаждающей жидкости может быть использована деионизированная вода, метанол, или изопропанол. Генеририруемый при помощи источника 3 лазерного излучения луч импульсного лазерного излучения коллимируется в коллиматоре 4 и попадает на зеркала отклоняющей системы 5, обеспечивающей перемещение луча в двух взаимно перпендикулярных направлениях. На выходе отклоняющей системы коллимированный пучок лазерного излучения с помощью фокусирующей системы 6 фокусируется в зону минимальных размеров с целью достижения определенной плотности мощности излучения в фокальной плоскости. В процессе воздействия лазерного излучения осуществляют перемещение луча относительно обрабатываемой поверхности 1 материала по заданному закону и с помощью компьютерной системы управляют движением зеркал отклоняющей системы 5 и генерацией лазерного луча. В результате воздействия на обрабатываемую поверхность 1 материала сфокусированным лучом с интенсивностью I лазерного излучения и длительностью τ импульсов в наносекундном диапазоне происходит плавление поверхности 1 материала, и охлаждение расплава облучаемого материала за счет теплоотвода в твердую фаза и охлаждающую жидкость. Последняя предназначена для создания кавитирующих полостей, необходимых для возникновения ударных волн, порождающих на поверхности расплава соответствующих капиллярных волн, а также исключает возможность испарения материала с поверхности, и предназначена для быстрого охлаждения приповерхностного жидкого слоя и его застывания, прежде чем исчезнут капиллярные возмущения, формирующие нанорельеф (см. Кулешов П.С. и др. «Диспергация металлических нанопленок при лазерном сканировании», вестник МГОУ, серия Физика - Математика, 2022, №1, стр. 41 - 51). В результате в расплаве возникают деформационные и капиллярные волны, и при переходе жидкой фазы в твердую на обрабатываемой поверхности 1 материала формируются наноструктуры в виде застывших нанокапель на конусовидных ножках (см. Миклуцкий С.И. и др. «Влияние лазерного УФ излучения наносекундной длительности на структуру и адгезионные свойства металлов и сплавов», «Физика металлов и металловедение», 2021 г., т. 122,. №2, стр. 159-165). В зависимости от физических свойств материала мембраны или электрода и коэффициента К увеличения реакционной поверхности изменяют интенсивность I излучения лазерного пучка, причем коэффициент К увеличения реакционной поверхности определяют из условия необходимого увеличения реакционной поверхности не менее чем в 5 раз по отношению к исходной гладкой поверхности из соотношения:

где:

τ - длительность импульса, с;

I - интенсивность лазерного пучка в облучаемой зоне, Вт/м²;

σ - коэффициент поверхностного натяжения расплава металла, Н/м;

a _m2 - коэффициент температуропроводности твердого металла, м²/с;

Н - высота конусовидных ножек, м.

В результате нанорельеф в виде застывших нанокапель на конусовидных ножках увеличивает эффективную площадь реакционной поверхности, что приводит к интенсификации приэлектродных процессов тепломассопереноса при индуцировании зарядами и дипольными моментами молекул жидкости вблизи модифицированной поверхности усиленных зарядов и дипольных моментов на выступах рельефа, (см. Володин О.А. и др. «Интенсификация теплообмена при кипении и испарении жидкостей на модифицированных поверхностях», ТВТ, 2021 г., том 59, №2, с. 280-312). Таким образом, увеличение эффективной поверхности и интенсификация тепломассопереноса около нее приводят к возрастанию ее реакционной способности, что обеспечивается повышением интенсивности I излучения лазерного пучка.

Таким образом, предварительное размещение поверхности мембраны или электрода в охлаждающей жидкости на глубине 1-3 мм, обеспечение в процессе облучения охлаждения расплава облучаемого материала за счет теплоотвода в охлаждающую жидкость и формирование наноструктуры в виде застывших нанокапель на конусовидных ножках определенной высоты, изменение интенсивности излучения лазерного пучка в зависимости от материала мембраны или электрода и коэффициента К увеличения их реакционной поверхности, который определяют из условия необходимого увеличения реакционной поверхности не менее чем в 5 раз по отношению к исходной гладкой поверхности из заданного соотношения обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в реализации его назначения, т.е. в создании способа наноструктурирования поверхности металлического материала для изготовления электродов или электролитических мембран твердоокисных топливных ячеек путем лазерной абляции, обеспечивающего повышение эффективности наноструктурирования материала путем увеличения площади реакционной поверхности и интенсификации приэлектродных процессов тепломассопереноса.

Изобретение относится к области текстурирования поверхностей материалов, а именно к способу наноструктурирования поверхности металлического материала для изготовления электродов или электролитических мембран твердоокисных топливных ячеек путем лазерной абляции, в частности металлокерамики из диоксида циркония, и может быть использовано при изготовлении электролитических мембран и электродов твердоокисных топливных элементов с характерными субмикронными перепадами по высоте рельефа поверхности. Сущность изобретения состоит в том, что обрабатываемую поверхность размещают под слоем охлаждающей жидкости толщиной 1-3 мм, а рельеф в виде наноструктуры формируют в виде застывших нанокапель на конусовидных ножках. Интенсивность излучения лазерного пучка изменяют в зависимости от обрабатываемого металла и коэффициента K увеличения реакционной поверхности более чем в 5 раз по отношению к исходной гладкой поверхности, который определяют из заданного соотношения. Способ обеспечивает повышение эффективности наноструктурирования материала путем увеличения площади реакционной поверхности и интенсификации приэлектродных процессов тепломассопереноса. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ наноструктурирования поверхности металлического материала для изготовления электродов или электролитических мембран твердоокисных топливных ячеек путем лазерной абляции, включающий облучение поверхности металлического материала перемещающимся лазерным пучком, имеющим длительность импульса и интенсивность в облучаемой зоне, обеспечивающие плавление металла облучаемой поверхности и формирование на ней рельефа заданной формы и пространственного периода в виде наноструктуры, отличающийся тем, что обрабатываемую поверхность размещают под слоем охлаждающей жидкости толщиной 1-3 мм, а рельеф в виде наноструктуры формируют в виде застывших нанокапель на конусовидных ножках, при этом изменяют интенсивность излучения лазерного пучка в зависимости от обрабатываемого металла и коэффициента K увеличения реакционной поверхности более чем в 5 раз по отношению к исходной гладкой поверхности, который определяют из следующего соотношения:

где:

τ - длительность импульса, с;

I - интенсивность лазерного пучка в облучаемой зоне, Вт/м²;

σ - коэффициент поверхностного натяжения расплава металла, Н/м;

a_m2 - коэффициент температуропроводности твердого металла, м²/с;

Н - высота конусовидных ножек, м.

2. Способ наноструктурирования по п. 1, отличающийся тем, что в качестве охлаждающей жидкости используют деионизированную воду, метанол или изопропанол.