等离子混相喷射数字化制造高性能燃料电池的复杂形状复合功能模块.pdf

申请代码：E052204 受理部门：收件日期：受理编号：国家自然科学基金 申 请 书 国家自然科学基金 申 请 书 资助类别：面上项目 亚类说明：自由申请项目 附注说明：项目名称：等离子混相喷射数字化制造高性能燃料电池的复杂形状复合功能模块 申 请 者：王桂兰 电话：027-87557394 依托单位：华中科技大学 通讯地址：武汉市洪山区珞瑜路 1037 号 邮政编码：430074 单位电话：027-87543437 电子邮件： 申报日期：2006年3月16日 国家自然科学基金委员会 国家自然科学基金申请书 第 2 页 版本 1.006.189 基本信息基本信息 x0fjCVyI 姓名 王桂兰 性别女 出生年月1962 年 8 月 民 族 汉族 学位 博士 职称教授 主要研究领域数字化成形加工 高能束成形 电话 027-87557394 电子邮件 传真 027-87543493 个 人 网 页 工 作 单 位 华中科技大学/材料学院材料加工系 申 请 者 信 息 申 请 者 信 息 在研项目批准号 名称 华中科技大学代 码 43007402 联系人 张婷姣 电子邮件 依托单位信息 依托单位信息 电话 027-87543437 网站地址 单 位 名 称 代 码 合作单位信息 合作单位信息 项目名称 等离子混相喷射数字化制造高性能燃料电池的复杂形状复合功能模块资助类别 面上项目 亚 类 说 明自由申请项目 附注说明 申请代码 E052204:高能束加工工艺与装备 E052106:快速成形制造 基地类别 33609132:塑性成形模具技术国家重点实验室 国家重点 预计研究年限 2007 年 1 月 2009 年 12 月 研究属性 应用基础研究 项 目 基 本 信 息项 目 基 本 信 息 申请经费 30.0000 万元 摘 要(限 400 字)：摘 要(限 400 字)：SOFC 高性能核心部件 PEN 应具有大比表面和高刚度的三维形状、含纳米通孔且孔隙率渐变的特征。目前高性能 PEN 的低成本高效制造已成为 SOFC 实用化急需克服的瓶颈。在取得连续等离子喷涂制造出 PEN 并与基体分离，其性能优于常用流延法的探索性项目重要研究成果的基础上，为实现纳米梯度 PEN 与气路一体化的 SOFC 立体复合功能模块的短流程低成本制造，本项目将等离子固液相柔性复合喷射、机器人数字化成形与快速成形技术相结合，提出并研究混相等离子喷射数字化制造高性能 PEN 的方法。通过对等离子多相混态粒子流场及其沉积成形热动力学行为的实验研究与宏细观耦合数值模拟，掌握工艺条件对复杂形状 PEN 的成形性、孔隙率、热力和电化学性能的影响规律，研究开发自主创新型高性能 PEN 的低成本快速制造关键技术基础。该研究将发展新型功能件制备成形一体化的短流程制造理论，为复杂形状渐变孔隙的环保节能功能零件的制造提供新方法。关 键 词关 键 词(用分号分开，最多 5 个)混相等离子喷射；数字化制造；复杂形状 PEN 模块；纳米含孔梯度材料；固体氧化物燃料电池 国家自然科学基金申请书 第 3 页 版本 1.006.189 项目组主要成员项目组主要成员（注:项目组主要成员不包括项目申请者，国家杰出青年科学基金类项目不填写此栏。）编号 姓 名 出生年月 性别职 称 学 位 单位名称 电话 电子邮件 项目分工 每年工作时间（月）1 张海鸥1955-10-20 男 教授 博士 华中科技大学 027-87543493 等离子成形加工工艺 5 2 王伟1946-9-18 男 教授 学士 华中科技大学 027-87543677 喷射质量检测与控制 6 3 韩光超1974-7-28 男 博士后 博士 华中科技大学 02787557394 喷射成形工艺10 4 刘石明1970-12-11 男 讲师 硕士 华中科技大学 02787544071 shm_ 材料制备与电化学性能 10 5 夏卫生1979-10-3 男 博士生 硕士 华中科技大学 02787557394 液相送料数控装置 10 6 杨云珍1977-1-16 女 博士生 硕士 华中科技大学 02787557394 y_y_ 燃料电池模拟分析 10 7 胡帮友1978-5-16 男 讲师 硕士 华中科技大学 02787543493 BYHU 成形CAD/CAM 10 8 胡盛德1971-7-2 男 讲师 硕士 华中科技大学 02787557394 等离子喷射数值模拟 10 9 艾辉1976-6-5 男 工程师 硕士 华中科技大学 自动控制系统10 总人数 高级 中级 初级 博士后 博士生 硕士生 18 3 4 1 1 3 6 说明:高级、中级、初级、博士后、博士生、硕士生人员数由申请者负责填报（含申请者），总人数自动生成。国家自然科学基金申请书 第 4 页 版本 1.006.189 经费申请表经费申请表 （金额单位：万元）科目 申请经费 备注（计算依据与说明）一.研究经费 一.研究经费 27.5000 1.科研业务费 12.5000 （1）测试/计算/分析费 4.5000工艺研究，组织与电化学性能测试，设计与计算等（2）能源/动力费 4.0000工作气体、送粉气体、保护气体和水电费（3）会议费/差旅费 2.5000国内外学术交流会议、调研差旅等（4）出版物/文献/信息传播费 1.5000资料检索与论文版面费，国家发明专利申请等（5）其它 2.实验材料费 8.0000 （1）原材料/试剂/药品购置费 6.0000PEN 制造用原始粉末、辅助工序材料费（2）其它 2.0000设备易损件材料费：电极、喷嘴、计算机耗材等 3.仪器设备费 6.0000 （1）购置 2.0000高能等离子喷枪及冷却装置（2）试制 4.0000液相送粉装置与数控系统、温度自动补偿装置 4.实验室改装费 1.0000实验防护装置的改造 5.协作费 二.国际合作与交流费 二.国际合作与交流费 0.0000 1.项目组成员出国合作交流 2.境外专家来华合作交流 三.劳务费 三.劳务费 1.5000研究生科研补贴与请临时工 500 元/人年*10*3 四.管理费 四.管理费 1.0000 合 计 合 计 30.0000 国家其他计划资助经费 其他经费资助（含部门匹配）与本项目相关的 其他经费来源 其他经费来源合计 其他经费来源合计 0.0000 国家自然科学基金申请书 第 5 页 版本 1.006.189 报告正文 报告正文（一）立项依据与研究内容（一）立项依据与研究内容 1.项目的立项依据 项目的立项依据 燃料电池是举世公认的最有前途的绿色能源，被列为 21 世纪全球可持续发展的重要支柱，美、加、德、日等国都把燃料电池作为新世纪国家核心竞争力技术之一1。与其它种类的燃料电池相比，固体氧化物燃料电池 SOFC(solid oxide fuel cell)以稀土氧化物为主要原料，可将氢气、天然气、煤气等多种气体燃料中的化学能直接转化为电能，具有零污染、无/低噪音、燃料潜能利用率高等突出优点。其系统运行成本低，燃料的适应性强，既可作为分散式电源为偏远地区和战地提供电力，又可为汽车、潜艇等提供移动电源或辅助移动电源。研制和应用 SOFC，对于开发利用我国西部富有资源，解决国民经济可持续高速发展面临的不可再生能源日趋枯竭和环境污染的严峻而紧迫的问题，增强我国国防装备水平和高科技产品创新开发能力等，具有十分重大的经济和战略意义。然而，SOFC目前主要存在着制造成本昂贵、制作效率低、性能质量不够稳定、热匹配性能不高等问题，故其实用化的关键是开发高性能关键部件的低成本批量快速制造技术2。现有的 SOFC 主要由复合电极（PEN）、流路和连接器组成，PEN 是其核心部件，由阳极/电解质/阴极三层不同的、以氧化物陶瓷为主的材料复合而成。美国能源部宣布的“21 世纪燃料电池”计划有关 SOFC 的研究项目中，资助 PEN 部件制造的研究经费占投入总经费的 82%2。随着 SOFC 工作温度不断降低，电极和电解质间界面电阻对电池输出功率的降低作用愈加明显，同时由于热膨胀系数差异易引起升降温循环操作后的剥离或“窜气”。SOFC 所用基本材料已趋于成熟4 5，但其性能有待大幅度提高，通过工艺改善关键部件 PEN 的宏观和微观结构是重要的途径之一。PEN 的宏观结构可分为平板、管状和立体复杂形状三种类型。国内外研究大多集中在平板型结构，这主要是因为该结构制造工艺难度小，用现有方法即可制造，但其密封困难、热循环性能差、电池堆体积大，以致难以组装成紧凑型大功率电池堆。与平板和管状结构相比，优化几何结构设计的立体 PEN 结构的SOFC，因具有体积小、重量轻、电化学反应有效面积大、结构牢固等优点，而电池能量密度高、使用寿命长。因此立体形状 PEN 组装的 SOFC 被用到最新的高性能 PEN 的设计制造中1；另一方面，为减少占总制造成本约 35%的带流路双极板的制造费用，省去流路加工，将 PEN 与流路一体化、采用功能集成化模块的结构形状整体优化设计是寻求大幅度降低成本的有效途径，也可使电堆结构紧凑化。美国 Argonne 国家实验室提出叠层瓦楞板结构 PEN 模块的 SOFC 设计；中科院化工冶金所在分析引进俄罗斯叠层式结构的基础上,研制成功了六面体式新型块状 SOFC，并已申请了专利；日本中部电力公司和三菱重工最近联合开发出宣称世界最高水平的外形为平板、内部为波纹模块状结构 MOLB型（Monoblock Layer Built）的高性能 SOFC 1。这意味着，采用功能复合模块化的立体形状 PEN是高性能 SOFC 结构设计的发展趋势，如果能开发出其低成本批量制造的新方法与技术，SOFC 将具有更大的发展前景。另一方面，高性能 SOFC 对 PEN 部件微观结构的要求是：阳极和阴极具有高比率微孔纳米结构，有尽可能大的三相反应区域，高导电性；电解质层致密,具有高的离子电导率；三个功能层间界面电阻小、热力与化学匹配性能好、化学稳定性好。已有研究结果表明67：1）高度分散的微孔纳米结构的阳极和阴极，有利于反应与产物气体的扩散，增大三相反应活性区，提高电化学活性和输出功率；2）电极采用梯度材料结构设计，使之成为由电子导电向离子导电过渡的电导体，从而降低界面阻抗；3）采用具有以上微观结构特征的 PEN 部件，能提高电极效率、热匹配和抗衰变性能，并且能大幅度降低电池的工作温度，缩短起动时间，提高可靠性，扩大使用电池堆其它部件的材料选择范围，有助于降低电池堆整体的成本。所以，制造材料成分和孔隙率分布渐变的纳米结构梯度功能材料三维 PEN 部件，是提高 SOFC 性能、促进其实用化的极其有效的途径。但是，用传统制造工艺已难以制造出满足上述要求的高性能 PEN 模块，并且会导致制造成本的大幅 国家自然科学基金申请书 第 6 页 版本 1.006.189 度上升。因此，材料成分和孔隙呈梯度分布的、几何造型合理的立体形状 PEN 模块（简称立体梯度复合电极）的低成本制造技术开发成为 SOFC 实用化应用基础研究的重点和关键。现有的制造PEN的方法主要有：丝网印刷、流延共烧结法、电化学气相沉积、磁控溅射等。前两种是目前常用的方法，但要保证三层不同材料在成形后共烧结过程不分层或开裂，提高成品率是该方法的难点。后两种需要克服沉积效率低、难以大面积均匀涂覆或沉积、材料种类受限、支撑电极与电解质膜的制备过程不连续，以及难以将复合电极与基体完好分离的困难8。立体PEN部件现有的制作方法是采用湿式的带注或压带方法成型，然后共烧结。这种方法存在电解质层厚度和孔隙率分布难以控制，烧结过程中容易变形、层裂，因而导致成品率低，难以成形复杂的理想形状部件等问题9。上述方法均难以制造材料成分和孔隙呈梯度分布的三维立体PEN模块。因此，SOFC的实用化必需研究开发立体纳米梯度PEN模块的低成本高效率制造的新方法。等离子喷涂成形是利用等离子体高能束射流热源将粉末材料急速加热至10,000K以上的高温、并高速喷向基材表面、快速凝固冷却和沉积成形的过程。与传统的成形与烧结工序分离的方法相比，因等离子喷涂成形为高能高速的热动力学过程，容易得到均匀细小的组织，而最具魅力的是无需成形与烧结分离的诸多不连续工序、能实现梯度复合电极的材料制备成形烧结一体化的快速批量制造，且具有材料成分与孔隙率分布可控、可制造成形材料与形状尺寸几乎不受限制、沉积效率高、积层间结合力强等显著优点，因而是一种极具实用化前景的梯度PEN模块的大规模低成本高效制造方法之一。德国斯图加特航空航天研究中心的Schiller 和Hence 等利用真空等离子喷涂技术10,分层连续喷涂阳极、电解质、阴极层，获得了厚度为3050m的多孔(连通气孔体积分数高达21%)阳极和阴极以及厚度小于30m的致密(闭气孔体积分数小：1.5%2.5%)电解质层，成功地实现了阳极支撑的中温平板式SOFC的一体化，整个电池厚度不超过100120m。但真空等离子喷涂导致制造效率低、成本升高。而采用常规大气等离子喷涂能适应PEN模块规模化批量生产的高效率低成本的要求。有关等离子喷涂在纳米陶瓷材料和有孔梯度功能材料成形中的应用，国内外都以简单平板为基体进行了相关研究。研究结果表明：纳米粉末等离子喷涂涂层的致密度可达99%以上，结合强度和弯曲强度可大幅度提高1112。但是，采用通常的固态送粉等离子喷涂制造纳米结构PEN，存在以下问题：1）纳米陶瓷粉末难以均匀稳定送入，且沉积率低；2）需要造粒，但粒度难以均匀，导致难以形成均匀涂层；3）呈层状组织特征，连通孔比率低。因此，美国明尼苏达州高温及等离子技术实验室将等离子喷涂与其它等离子表面技术结合进行了尝试13，Chen等使用等离子喷涂,通过改变注入原料及流量和工作室气压,实现了电池不同层连续喷涂：在多孔的不锈钢或铬镍铁合金上,采用单枪双送粉方法获得了具有成分梯度的阳极(NiO+YSZ/YSZ)，可有效改善电解质和阳极层间热内应力，接着采用中心注粉低压等离子喷涂方法,在12min内形成厚度为40-70m的致密YSZ电解质层，最后采用热等离子体化学气相沉积方法,获得了多孔LSM前驱体涂层。在此基础上，美国研究者提出了液相送料的等离子喷射成形法。Liangde Xie等将盛有锆盐和钇盐水溶液的喷雾器的喷嘴连接在等离子喷枪上，喷出雾状溶液送入等离子喷射流中，在合成YSZ的同时沉积成形为致密的纳米结构涂层1415。Monterrubio-Badillo等用粒子悬浮液等离子喷涂获得多孔阴极涂层16。然而，用单一液相或固相送料等离子喷涂制备NiYSZ均匀分散的纳米连通孔结构的阳极存在很大的难度，其原因主要是Ni与YSZ的比重、熔点和沉积性能相差比较大，加之等离子射流场作用下金属-陶瓷共沉积成形的孔隙形成机理尚不太清楚，但这方面的研究对提高成形工艺可控性和性能质量稳定很有必要。为此，本项目提出液相送料与固相送料柔性复合的等离子混相喷射成形方法制造梯度功能纳米结构的复杂形状高性能PEN模块。即采用悬浮液送料的液相等离子喷射形成纳米连通孔结构的YSZ，同时用固相等离子喷涂法将Ni粉喷射沉积在YSZ上制备出阳极；然后用化学溶液前驱体等离子喷射制备致密的YSZ电解质层；用悬浮液等离子喷涂制备多孔阴极涂层；功能层间的成分过渡采用梯度送料数控装置实现。迄今，尚未见国内外关于SOFC复杂形状纳米梯度结构PEN立体模块制造的研究和等离子混相喷射方法在此方面应用的研究报导。因此，等离子数字化混相喷射成形方法是能低成本地获得高性能 SOFC 的立体 PEN与流路一体 国家自然科学基金申请书 第 7 页 版本 1.006.189 化的复合功能纳米梯度材料模块的有力途径，但须先解决耐高熔点材料喷射和立体 PEN模块易于分离的三维形状被喷射原型的低成本高效制造的问题，快速原型及其低成本复制成形技术为此提供了有效途径。项目组申请人和张海鸥教授与日本东京大学合作,将等离子熔射与快速原型技术结合，开发出带天然饰纹的注塑硬模的等离子熔射快速制造技术17。该技术解决了耐高熔点材料喷涂的高复制精度被喷射原型的制造、在复杂形状原型表面喷射成形梯度材料、及其成形后成形件与原型分离等关键问题18。本项目的前期探索性研究证实了基于该快速原型技术短流程制造立体梯度复合电极的可行性。为稳定地获得厚度均匀、成分与孔隙率梯度分布、电化学与力学性能好的高性能立体形状梯度 PEN成形件，可借助生长成形的哲理和方法，将等离子喷射成形纳米梯度功能材料、数字化设计与机器人等技术结合起来，通过数字化自动控制等离子喷射成形过程的能量场、材料传质场和几何运动场来实现。为此，应将产品的几何形状、材料设计、制造过程几何运动和能量场控制信息数字化，并用这些数字化信息流控制制造系统，使原材料以凝聚或积层的生长成型方式转化为具有预期外观与功能的制品，从而突破传统快速原型技术着眼于几何拓扑形状创新型产品的局限，形成创形与新型高性能梯度功能零件的材料制备一体化的创形创质并行短流程制造技术,其研究开发成为 21 世纪新材料成形加工技术研究领域的国际前沿与热点19。为保证等离子喷射成形立体梯度 PEN模块的成形性和组织结构要求，成形热应力和孔隙率的预测和控制是关键。借助等离子喷射成形过程数值模拟，可以预测成形温度场、热应力场、孔隙率大小和分布，为优化等离子喷射成形工艺条件（如送料方式、材料配比、液体浓度、粉末粒度与流量、喷射功率、喷射距离与角度、扫描路径与速度等）提供科学依据，为解决减小或避免立体 PEN喷射成形模块的翘曲变形或破裂、满足此种梯度功能材料的成分和孔隙率渐变分布的要求所涉及的技术关键问题奠定基础。等离子喷射成形过程可看成由三个子过程组成20：1)粉末在等离子射流中的加热与加速；2)熔融半熔融粒子的高速沉积变形与堆积；3)生长成形中的基体的非稳态非均匀循环加热与冷却。第三子过程中已堆积成形基体部分形状尺寸不断变化，基体的冷却与来自射流和飞行粒子的局部循环加热和瞬时冲击力作用同时发生。这三个子过程相互关联的、伴随有非稳态非均匀的传热传质与动量传递过程的复杂的热动力粘弹塑性变形力学耦合过程。迄今国内外有关等离子喷射成形过程数值模拟研究大多集中在各子过程的温度场和流场的分析，且未考虑子过程间的联系和传质传热动量传递过程的综合作用对孔隙率的形成与分布及热应力和成形性的影响2123。等离子喷射成形体既不同于连续体，也不同于离散粒子集合体。现有通用计算软件基于连续体介质模型，不适用于喷射成形这种熔融半熔融离散粒子沉积成形过程的模拟，难以预测成形件的孔隙率和准确预测热应力分布的变化，而这些参数正是评价喷射成形性、成形质量与成形件宏观物理力学性能的重要依据。基于离散元法的粉体力学近年来在粉体流动成形过程模拟方面取得了很大进展，但其研究对象为刚性粒子与流体的混合体，而喷射成形过程系熔融半熔融固液共存可变形粒子的沉积过程，所以离散颗粒粉体力学也不适用该问题的解析。等离子喷射成形过程的模拟涉及气液固态共存多相混流、多种机制的传热、急速重熔与凝固、半固态变形、弹粘塑性细观力学等多学科问题。格子玻尔兹曼（LB：Lattice Boltzmann）方法是近十几年发展起来的计算流体力学新方法，它易处理复杂边界条件，物理概念清晰，有高度的并行计算性，且算法稳定，目前已在磁流体、多相流、晶体生长等非线性复杂问题的分析中得到应用24 25。Michigen 大学 N.Kikuchi 教授研究室将匀质化理论（Homogenization Theory）与有限元法结合，计算分析了 NiAl-Cr 纤维增强三维复合材料的物理力学性能和骨生长过程等复杂对象的非均匀体问题26。这些相关学科的最新研究进展使成分与孔隙渐变的梯度立体 PEN模块的等离子喷射成形过程数值模拟成为可能。项目组对固态等离子喷涂全过程连成模拟进行过较系统的研究，为开展等离子混相喷射成形过程的模拟打下了基础。迄今关于梯度功能材料等离子混相喷射成形过程数值模拟的研究在国内外尚未见报道。鉴于上述情况，本项目针对绿色高效能源 SOFC 实用化的关键和难点问题，根据高性能核心模块 国家自然科学基金申请书 第 8 页 版本 1.006.189 PEN 应具有大比表面和高刚度的理想三维形状、含纳米通孔且孔隙率渐变、可控的宏微观结构特征的要求，提出并研究等离子混相喷射数字化制造高性能 PEN 模块的方法，将等离子固液相柔性复合喷射沉积成形纳米梯度功能材料、机器人数字化成形与快速成形技术相结合，实现 PEN 与气体流路一体化的 SOFC 复杂形状梯度复合功能模块的短流程制造。通过对 PEN 材料的混态多相粒子在 等离子高能束喷射流场和沉积成形过程热动力学行为及其交互作用的实验研究与宏细观耦合数值模拟分析，研究纳米梯度功能 PEN 件喷射成形的孔隙形成机理、成形性与热力-电化学性能的控制机理，掌握工艺条件对复杂形状 PEN 的成形性、细观结构和综合性能的影响规律，为开发具有国际先进水平和我国自主知识产权的高性能 SOFC 核心模块的等离子数字化低成本短流程高效率制造关键技术奠定基础。同时，将此种特殊梯度功能复合模块设计中的几何形状、材料设计和等离子喷射成形过程工艺条件方面的信息数字化、集成化，研究建立带孔隙梯度功能材制件喷射成形全过程的宏细观力学耦合与热力变形力学耦合的纵横向连成模拟的数值计算模型，开发成形性和孔隙率预报软件，建立能量场、材料传质场和几何运动场匹配的喷射成形工艺条件智能设计系统，发展融功能结构设计材料设计制造过程设计于一体的高性能新型零件的短流程制造理论，为开发复杂形状孔隙率渐变的环保节能新型梯度功能零件的短流程绿色制造新方法和新技术提供科学依据。本申请项目是在完成可行性探索项目基础上的重要研究，将可能建立具有国际领先水平的高性能、结构紧凑的SOFC的低成本规模制造的自主创新型关键技术基础，有力地促进绿色高效能源SOFC的实用化。此项研究属于国家自然科学基金委材料工程学部机械学科2006年度优先资助领域“基于资源节约的设计理论与加工制造基础”的范畴。恳切希望基金委进一步给予大力支持。主主 要要 参参 考考 文文 献献 1 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C.Proc.ITSC:Basel,Switzerland.2005:585-589.11 Cantor B.Nanocrystalline Materials Manufactured by Advanced Solidification Processing Methods.Materials Science Forum，1999，307:143 12 Chen,Jack Chieh-Cheng,Chen,Hancun;Prasad,Ravi;et al.Plasma sprayed oxygen transport membrane coatings,US6638575.13 Chen C H,Heberlein J,et al.Integrated fabrication process for solid oxide fuel cell in a triple torch plasma reactor J .Thermal Spray Technol,2000,9(3):348 353 14 Liangde Xie,Xinqing Mac,Eric H.Jordan,et al.Identification of coating deposition mechanismsin the solution-precursor plasma-spray process using model spray experiments.Materials Science and Engineering,2003(362 A):204212 15 Bouaricha S,Oberste-Berghaus J,Legoux J G,et al.Production of samarium doped-ceria plasma sprayed nano-coatings using an internal injection of a suspension containing nanoparticles C.Proc.ITSC:Ohio,USA,2003:486492.16 Monterrubio-Badillo C,Ageorges H,Chartier T,et al.Plasma spraying of a perovskite suspension for SOFC cathodes C.Proc.ITSC:Ohio,USA,2003:687 693 国家自然科学基金申请书 第 9 页 版本 1.006.189 17 张海鸥，王桂兰.金属模具熔射制造方法，国家发明专利（专利号：ZL99116449.0）18 Haiou Zhang,Guilan Wang，Takeo.Nakagawa:Rapid Hard Tooling by Powder Spray of Stainless Steel，The Eighth International Conference on Rapid Prototyping (Tokyo，Japan),2000,1213（6）:444449.19 Kochan D,Kai Chua Chee,Du Zhaohui.Rapid prototyping issues in the 21st century,Computers in Industry,1999,39(1):310 20 韩鹏，陈熙.氩等离子体射流在空气环境中冲击平板层流流动与传热的数值模拟.工程热物理学报，1998，19（5）：591596 21 福本昌宏.溶射粒子扁平关研究现状.溶射，1998，35（1）：4048 22 R.Elsing,O.Knotek,U.Balting,The Influence of Physical Properties and Spraying Parameters on the Creation of Residual Thermal Stresses during the Spraying Process,Surface&coatings Technology,1990,41(1):416425 23 John Argyris,Ioannis St.Doltsinis,Michael Eggers,Rainer Handel,Studies on Ceramic Coatings,Deduction of Mechanical and Thermal Properties from the Structure of the Material,Computer Methods in Applied Mechanical and Engineering,1994,111：203234 24 Takaji Inamuro,Nobuharu Konishi,Fumimaru Ogino,A Galilean invariant model of the lattice Boltzmann method for multiphase fluid flows using free-energy approach,Computer Physics Communications 2000,129：3245.25 W.Miller,The lattice Boltzmann method:a new tool for numerical simulation of the interaction of growth kinetics and melt flow,Journal of Crystal Growth,2001,230:263269 26 K.Terada and N.Kikuchi.Digital Image Based Moldeling Aplied to the Homogenization Analysis of Composite Materials,University of Michigan,(communication report),2002 2、项目的研究内容、研究目标,以及拟解决的关键问题 2、项目的研究内容、研究目标,以及拟解决的关键问题 2.1 研究目标研究目标 为实现纳米梯度 PEN 与气路一体化的 SOFC 立体复合功能组件的短流程低成本制造，采用等离子固液相柔性复合喷射沉积、机器人数字化成形与快速原型技术相结合的方法，研究混相等离子数字化喷射制造高性能 SOFC 核心立体梯度功能模块 PEN 的成形机理与工艺特性，弄清复杂形状梯度功能部件的成形性和孔隙分布的控制规律，以克服纳米粉末等离子喷射成形的送粉和孔隙率控制困难以及成形效率低的难点问题，开发具有国际先进水平和我国自主知识产权的高性能 SOFC 立体梯度 PEN的等离子数字化喷射低成本快速制造的核心技术，建立含孔隙纳米结构复杂形状的新型梯度功能零件的制备成形一体化的短流程数字化制造的共性关键科学技术基础。2.2 研究内容研究内容(1)SOFC 立体纳米梯度模块 PEN的等离子混相喷射成形工艺特性研究 研究等离子高能束对异质多相材料的热力作用、混态粒子的沉积成形机理，摸清等离子射流能量场、机器人扫描轨迹与速度、供料方式与冷却条件等合理匹配的制造条件，确定纳米含孔梯度功能件喷射成形的固态与液态联合供料的混合比例，掌握 SOFC 复杂形状模块 PEN喷射制造的成形性和厚度控制特性，既保证高成形效率和厚度均匀性，又防止由热应力导致的翘曲、剥落和破裂。(2)面向立体 PEN模块等离子喷射制造过程的创形创质并行数字化设计 综合考虑高性能 SOFC 立体梯度 PEN模块的等离子喷射成形性和组织性能的要求，研究等离子喷射制造立体 PEN模块的几何形状、成分与细观结构空间分布的数字化并行设计方法，开发孔隙与成分渐变梯度材料零件的制备成形一体化的等离子喷射制造机器人运动轨迹自动规划软件。（3）孔隙与成分渐变梯度功能零件的等离子混相喷射成形过程数值模拟 国家自然科学基金申请书 第 10 页 版本 1.006.189 研究梯度功能材料零件的等离子束多相混流场喷射成形模拟的方法和模型，开发等离子喷射成形过程数值模拟软件，分析等离子射流对梯度复合材料固/液相粒子及其沉积成形体的传质传热及热动力学行为的影响，预测立体 PEN模块喷射成形的孔隙率分布、温度场和热应力场，揭示含孔梯度功能材料零件混相沉积制造的成形性和细观结构的控制机理。（4）等离子喷射成形工艺条件对 PEN模块的微观结构和性能的影响规律的研究 研究等离子喷射制造过程工艺条件与PEN梯度材料成分及粒度分布对孔隙大小与分布的影响规律，并分析其对制件力学和电化学性能的影响，为控制 SOFC模块的组织性能提供科学依据。(5)立体 PEN模块的等离子喷射创形创质并行数字化智能制造 研究立体 PEN模块等离子喷射制造的高能束射流能量场、机器人几何运动学场与原材料传输场所对应的不同属性工作单元的匹配协调条件，开发复杂形状纳米梯度 PEN模块的数字化喷射智能制造系统。2.3 拟解决的关键科学技术问题拟解决的关键科学技术问题 (1)防止沉积层破裂和减小翘曲变形的固液相柔性复合送料条件、等离子射流能量场和机器人几何运动学条件；(2)探明满足高性能 SOFC对阳极和阴极层含高比率微孔、电解质层高度致密的要求的等离子混相柔性喷射成形机理和纳米微孔梯度结构形成的条件，控制复杂形状 PEN模块的厚度均匀性、孔隙率分布及其连通孔比率；（3）复杂形状 PEN模块的几何造型与混相喷射成形工艺的数字化并行设计。3.拟采取的研究方案及可行性分析 3.拟采取的研究方案及可行性分析 3.1 研究方案研究方案(1)PEN模块材料设计及其喷射成形用粉体的制备 PEN 材料采用梯度成分设计，阳极/阴极与电解质层的过渡区域成分按渐变梯度设计。阴极纳米粉体材料采用溶液化学法制备，阳极粉末和电解质原材料购买商品材料。(2)SOFC 立体纳米梯度模块 PEN的等离子混相数字化喷射制造 波纹状 PEN 的 SOFC 结构示意图 PEN连接板连接板密封材料PEN连接板空气燃料 密 封 材 国家自然科学基金申请书 第 11 页 版本 1.006.189 首先，生成含流路功能的波纹状PEN模块的CAD模型（如图所示）；然后，用项目组已开发的耐高熔点材料喷射的精细陶瓷原型快速制造专利技术，制作出PEN模块被喷射快速原型；其后，通过合理设计与控制喷射成形工艺条件（送气量、喷射功率、喷射距离、扫描速度与路径等）和原料配比、送入方式状态、，在该原型上逐步喷射成形阳极/电解质/阴极的孔隙分布可控的梯度功能层；最后，将喷射成形的壳体与被喷射原型分离，从而得到PEN与流路一体化的三维形状模块。对于阳极的喷射成形，考虑Ni粉与YSZ的比重、熔点和沉积性能相差较大，主要采用纳米粉的悬浮液送料等离子喷射形成纳米连通孔结构的YSZ，在其上喷射沉积Ni粉；对于电解质层的喷射成形，将钇盐和锆盐的溶液喷入等离子射流形成前驱体，在沉积成形的同时进行材料合成，从而形成气密的电解质薄膜；对于阳极的喷射成形，用悬浮液送料等离子喷射沉积形成含连通微孔的阴极；功能层间的成分过渡采用梯度送料数控装置实现。热应力控制是梯度功能材料复杂件稳定地喷射成形的难点和关键。本项目拟利用课题组现有的机器人自动喷射平台、温度与形状监测系统、神经网络模糊控制系统，并与喷射成形过程模拟系统、成形路径规划系统、梯度功能材料自动送粉系统集成，建立立体梯度材料部件的机器人数字化智能喷射成形系统，实现粉料种类和工艺条件的合理设计与控制，以保证制件的成形性、厚度均匀性和孔隙率与成分分布的要求。(3)立体 PEN模块喷射成