[发明专利]一种原位表征碳/氮/氧单向反应扩渗化学弛豫过程的直流阻抗谱方法

说明书

一种原位表征碳/氮/氧单向反应扩渗化学弛豫过程的直流阻抗谱方法。方法：一、获得材料C/N/O热扩渗过程的电导率随时间演变的数据；二、对测量的电导率数据进行归一化处理；三、利用傅里叶变换公式，将归一化电导率从时域转换到频域，得到归一化电导率在频率空间内的数组；四、将归一化电导率在频率空间内的数组代入阻抗方程计算得到各个频率下的阻抗；五、提取阻抗数列中的阻抗的实部与虚部的负数，分别作为横纵坐标绘图，得到直流阻抗谱尼奎斯特图；以频率为横坐标，以阻抗的实部与虚部的负数为纵坐标绘图，则得到直流阻抗谱的实部虚部图。本发明应用于金属材料化学热处理与陶瓷材料氧催化输运领域。

技术领域

本发明涉及一种原位表征碳/氮/氧单向反应扩渗化学弛豫过程的直流阻抗谱方法。

背景技术

金属材料碳/氮(C/N)热扩渗赋予其结构件(如齿轮、轴承、紧固件等)最终疲劳强度与寿命；陶瓷氧化物材料高效催化氧还原(ORR)赋予其功能器件(如陶瓷燃料电池 等)良好的使役性能与寿命。然而，与国外相比还有很大差距：航空航天、轨道交通等灾 难性事故通常源于结构件表层的疲劳失效，服役寿命比国外低数倍；陶瓷燃料电池的军备 应用水平处于预研，落后于西方国家。

上述材料分别属于金属材料领域和无机非金属材料领域，其共性难题是如何实现高效 长寿命表面改性，具有鲜明的学科领域交叉特征。虽然领域不同，但其动力学过程相似： 金属材料C/N热扩渗和陶瓷氧化物材料ORR过程的温域相同(400-1000℃)；过程的方向相同，即都为“渗入”过程(C/N/O渗入材料内部)；渗入过程的基本步骤类似(先在 材料表面反应再经体扩散渗入材料内部)。因此，可以将其概括为“C/N/O单向反应扩渗 过程”。实现上述材料的高效长寿命表面改性的前提在于对C/N/O单向反应扩渗过程及规 律的深刻认知，是此类材料基础研究的共性科学。

然而，现有的原位表征方法有待突破关键性技术局限。例如，交流阻抗谱技术局限于 “双向”交替过程的表征，无法从交流阻抗谱中离解出“单向”过程的信息，并且依托于电化学电池，无法用于金属材料C/N热扩渗过程的表征；化学弛豫技术针对“单向”过 程进行表征，普适于上述材料，然而过程分辨率低，难以解析过程机理。为此，首创提出 直流阻抗谱方法，为过程的高分辨率原位表征提供一种新的手段，为此类材料表面改性技 术的发展提供支持。

发明内容

本发明的目的是提供一种原位表征碳/氮/氧单向反应扩渗化学弛豫过程的直流阻抗 谱方法，通过直流阻抗谱方法，为碳/氮/氧单向反应扩渗化学弛豫过程的高分辨率原位表 征提供一种新的手段，为此类材料表面改性技术的发展提供支持。

一种原位表征碳/氮/氧单向反应扩渗化学弛豫过程的直流阻抗谱方法，它包括以下步 骤：

步骤一：采用直流四端子法，测量片状金属材料碳/氮热扩渗或片状陶瓷氧化物材料 单向氧传导的化学弛豫过程的材料电导率随时间演变的数据；

步骤二：对上述测量的材料电导率随时间演变的数据σ_n进行归一化处理，得到归一 化电导率进一步得到N个时刻下的归一化电导率数组其中N的取值要求[σ_N-σ_N-1]/σ_N-10.01，σ₁表示初始电导率，σ_N表示终了电导率；

步骤三：利用傅里叶变换公式将N个时刻下的归一化电导率数组从时域转换到频域，得到各个频率下的归一化电导率在频率空间内的数组其中ω表示频率，t表示时间，e^-jωt表示频率与时间乘积的 e指数，其中j表示虚数单位，满足j²＝-1；

步骤四：将各个频率下的归一化电导率在频率空间内的数组带入阻抗方程计算得到各个频率下的阻抗数列{Z_n,ω_n},n＝1,2,3,…N；