低成本AISI 441固体氧化物燃料电池（SOFC）互连件的性能突破：通过控制初始的Cr/Mn选择性氧化过程，使其在长期使用中的抗氧化性能优于专用合金

《Surface and Coatings Technology》：Performance breakthrough in low-cost AISI 441 SOFC interconnects: Controlled initial Cr/Mn selective oxidation enables superior long-term oxidation resistance over specialized alloys

本研究通过预氧化处理提升AISI 441和Crofer 22H不锈钢在800℃空气中的氧化抗力，机制涉及Mn扩散与尖晶石形成，使AISI 441长期稳定性优于Crofer 22H。

　　固态氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cells, SOFCs）是当前能源领域的重要技术之一，其核心组件之一是连接材料（interconnects）。连接材料的作用是将多个单电池串联起来，以实现所需的电压输出。在实际应用中，这些连接材料需要具备良好的热稳定性和电导率，同时能够有效防止气体渗透，以确保电池的正常运行。因此，研究连接材料的氧化行为对于提高SOFC的长期运行稳定性至关重要。

在众多连接材料中，铁素体不锈钢（Ferritic Stainless Steels, FSS）因其优异的热导率、电导率以及良好的气体不渗透性而受到青睐。此外，铁素体不锈钢的热膨胀系数与SOFC的其他组件相匹配，使其成为一种理想的连接材料。然而，铁素体不锈钢在高温环境下容易发生氧化反应，特别是在含有氧气的气氛中，氧化行为可能显著影响其性能和寿命。为了应对这一挑战，研究人员探索了多种方法来改善铁素体不锈钢的氧化行为，包括预氧化处理（pre-oxidation treatment）。

预氧化处理是一种在材料投入使用前，通过特定条件使其表面形成可控氧化层的技术。这种氧化层与常规使用条件下的氧化层不同，具有更细密、均匀和稳定的结构。通过预氧化处理，可以有效抑制材料在后续高温氧化过程中形成大颗粒氧化物，同时促进更薄、更均匀和更致密的氧化层形成。这不仅提高了材料的氧化稳定性，还降低了界面电阻，从而改善了SOFC的电性能。此外，预氧化处理还能够改变某些元素的扩散机制，例如Mn的扩散路径，提高其在氧化层中的成核速率，从而增强材料的抗腐蚀能力。

本研究重点探讨了两种常见的铁素体不锈钢材料——商用钢AISI 441和SOFC专用合金Crofer 22 H——在预氧化处理后的氧化行为。通过将这两种材料在氢气和水蒸气的混合气氛（H?/H?O）中进行预氧化处理，形成与常规使用条件下的氧化层不同的预氧化层。随后，将这些预氧化处理后的样品与未处理的样品在实验室空气中进行长期氧化实验，观察其氧化行为的变化。实验结果表明，预氧化处理后的样品在高温氧化过程中表现出更优异的氧化稳定性，其氧化层更加均匀、致密，且抑制了氧化物的不均匀扩散和界面反应。

在AISI 441合金中，预氧化处理显著抑制了Cr的不均匀向外扩散和O的向内扩散，从而提高了其氧化抗性。相比之下，Crofer 22 H合金虽然具有更高的Cr含量，能够快速形成稳定的Cr?O?氧化层，但其氧化抗性仍不如经过预氧化处理的AISI 441。这一发现表明，预氧化处理不仅适用于SOFC专用合金，也能够显著提升商用不锈钢的性能。此外，预氧化处理还能够有效抑制铬（VI）物种的挥发，减少对阴极的破坏，从而提高SOFC的整体电化学性能。

为了进一步分析预氧化处理对氧化层结构的影响，研究人员使用透射电子显微镜（TEM）对预氧化后的Crofer氧化层进行了界面微观区域的表征。结果表明，预氧化处理后的氧化层具有更细密的晶粒结构和更均匀的分布，这有助于提高材料的抗扩散能力，减少氧化物在高温下的不均匀生长。同时，预氧化处理还能改善材料在高温环境下的机械性能，提高氧化层与基体之间的结合力，从而增强连接材料的结构稳定性。

本研究还探讨了预氧化处理对材料表面氧化层形成的促进作用。在预氧化处理过程中，材料表面形成了以Cr和Mn为主的氧化层，这种氧化层在后续高温氧化过程中能够有效抑制Cr?O?层的不均匀生长。此外，预氧化处理还能改变氧化层的微观结构，使其更加致密和均匀，从而提高材料的抗腐蚀能力。这一过程不仅降低了材料在高温下的界面电阻，还提高了其电化学性能，使其在SOFC中具有更长的使用寿命。

除了氧化行为的改善，预氧化处理还能够有效提升连接材料在高温环境下的其他性能。例如，在堆叠密封区域，预氧化处理形成的氧化层能够抑制焊缝或玻璃密封区域之间的相互扩散和界面反应，从而显著提高剪切强度。此外，预氧化处理还能改善材料的抗侵蚀能力，使其在高温环境下更加稳定。这一技术的简便性和经济性使其成为一种极具潜力的材料改性方法，尤其适用于商用不锈钢材料。

本研究通过对比分析两种合金在预氧化处理和常规氧化条件下的性能差异，揭示了预氧化处理在改善连接材料氧化行为方面的作用机制。研究结果表明，预氧化处理能够有效提升材料的氧化稳定性，降低界面电阻，同时改善材料的机械性能和抗侵蚀能力。这一发现不仅为SOFC连接材料的优化提供了新的思路，也为商用不锈钢材料在高温环境下的应用提供了可行的解决方案。

在实际应用中，SOFC连接材料的氧化行为不仅影响其电性能，还可能对整个电池系统的稳定性产生重大影响。因此，研究和优化连接材料的氧化行为对于提高SOFC的运行效率和使用寿命具有重要意义。预氧化处理作为一种经济且简便的方法，能够在不增加材料成本的前提下，显著改善连接材料的氧化行为，使其在高温环境下更加稳定。这不仅有助于降低SOFC的维护成本，还能提高其整体性能，使其在实际应用中更具竞争力。

此外，预氧化处理还能够有效抑制某些有害物质的挥发，例如铬（VI）物种的挥发。这种挥发不仅会影响材料的结构稳定性，还可能对阴极造成破坏，从而降低SOFC的电化学性能。因此，研究预氧化处理对铬（VI）物种挥发的影响，对于优化连接材料的性能具有重要意义。通过预氧化处理，可以有效减少铬（VI）物种的挥发，提高材料的抗腐蚀能力，从而延长SOFC的使用寿命。

本研究的实验方法采用了多种先进的表征技术，包括扫描电子显微镜（SEM）、能量色散光谱（EDS）和透射电子显微镜（TEM），以全面分析预氧化处理对材料氧化行为的影响。通过这些技术，研究人员能够观察到预氧化处理后材料表面氧化层的微观结构，分析其成分和分布情况，从而揭示预氧化处理的作用机制。这些实验结果为未来连接材料的优化提供了重要的数据支持，也为进一步研究预氧化处理在其他材料中的应用奠定了基础。

总的来说，预氧化处理是一种有效改善铁素体不锈钢连接材料氧化行为的方法。通过在氢气和水蒸气的混合气氛中进行预氧化处理，可以形成更细密、均匀和稳定的氧化层，从而提高材料的氧化抗性。这种处理方法不仅降低了材料在高温下的界面电阻，还改善了其机械性能和抗侵蚀能力，使其在SOFC中具有更长的使用寿命。此外，预氧化处理还能够有效抑制铬（VI）物种的挥发，减少对阴极的破坏，从而提高SOFC的整体性能。这些发现表明，预氧化处理在SOFC连接材料的优化中具有广阔的应用前景。