【摘 要】
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燃料电池作为一种极具前景的能源转换装置,以其高效、低排放的特点近年来受到了广泛关注。但应力作用下的燃料电池薄膜机械性能衰减对其服役周期造成巨大影响。因此,迫切需要开展酸碱燃料电池薄膜的力学性能研究。本文基于纳米压痕同时辅以单轴微拉伸的方法,研究了多加载模式及变温条件下的酸碱燃料电池薄膜力学行为。采用三种不同的加载模式研究了酸性质子交换膜Nafion?117的纳米压痕力学性能,并探讨了其在不同温度条
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燃料电池作为一种极具前景的能源转换装置,以其高效、低排放的特点近年来受到了广泛关注。但应力作用下的燃料电池薄膜机械性能衰减对其服役周期造成巨大影响。因此,迫切需要开展酸碱燃料电池薄膜的力学性能研究。本文基于纳米压痕同时辅以单轴微拉伸的方法,研究了多加载模式及变温条件下的酸碱燃料电池薄膜力学行为。采用三种不同的加载模式研究了酸性质子交换膜Nafion?117的纳米压痕力学性能,并探讨了其在不同温度条件下的力学响应。在此基础上,开展了新一代质子交换膜Nafion?212的蠕变研究,阐述了峰值载荷、实验温度对薄膜蠕变失效的影响。引入无量纲参数,定量比较了蠕变失效对载荷和温度的敏感性,基于Findley和Burgers粘弹性模型,深入解释了薄膜材料蠕变的内在机理。通过自主制备的方式获得碱性QDPSU阴离子交换膜材料,结合纳米压痕和单轴微拉伸方法,分别对薄膜厚度方向和长度方向的力学性能进行研究,比较讨论了薄膜在两个加载方向上的粘弹性和疲劳行为。研究表明,适当快速的加载/卸载速率、足够长的保载时间、相对较低的峰值载荷有助于减小燃料电池薄膜的机械性能衰减。高频应力是加速应变累积和裂纹萌生的主要原因,更频繁的加速/减速或启动/关闭,燃料电池薄膜的寿命将显著降低。薄膜具有良好的形状记忆效应和形状恢复率,其粘性在高温条件下显著增加,接近玻璃转化温度时,薄膜机械性能显著降低。本研究为优化酸碱燃料电池的工况条件与进一步理解燃料电池薄膜的失效机理提供了依据,也为建立纳米压痕-单轴微拉伸的测试体系提供了新思路。
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