一种用于金属极板的耐蚀合金嵌入型非晶碳涂层及其制备制造技术

本发明专利技术涉及一种用于金属极板的耐蚀合金嵌入型非晶碳涂层及其制备，涂层包括设置在金属极板上的金属打底层以及设置在金属打底层上的耐蚀合金嵌入非晶碳网复合层，该耐蚀合金嵌入非晶碳网复合层包括非晶碳网以及嵌入在非晶碳网内的耐蚀合金；制备过程依次包括对金属极板表面进行清洁、在金属极板上沉积金属打底层以及在金属打底层表面沉积耐蚀合金嵌入非晶碳网复合层。与现有技术相比，本发明专利技术能够降低燃料电池金属极板与气体扩散层间接触电阻，提高涂层在复杂车载工况尤其是在启动停止车载工况对应阴极高电位下或酸性环境中的耐腐蚀性能，提高了金属极板在复杂车载工况中服役的耐久性。

【技术实现步骤摘要】
一种用于金属极板的耐蚀合金嵌入型非晶碳涂层及其制备
本专利技术属于燃料电池
，涉及一种用于金属极板的耐蚀合金嵌入型非晶碳涂层及其制备。
技术介绍
燃料电池使用氢气作为能源，具有高效清洁的特点，在许多领域具有广泛的应用前景。其中，双极板作为燃料电池的重要组成部分之一，其性能好坏制约着燃料电池的商业化进程。金属材料因其具有较好的机械性能、耐腐蚀性能及低成本等优势，已成为燃料电池双极板的主要材料。燃料电池金属双极板一般工作在pH值为2-5、温度为70-100℃的高温高湿酸性环境中，该环境下服役的金属材料表面会发生钝化形成一层致密、导电性差的金属氧化膜，导致金属极板与气体扩散层间接触电阻增大，进而导致电池因欧姆极化产生的电压损失增加，电池输出功率下降。因此，仅靠金属材料制备的双极板不能满足燃料电池对其较好耐腐蚀性能、较低接触电阻的性能要求。目前可通过PVD(物理气相沉积)、CVD(化学气相淀积)、离子镀、化学镀、电镀等方式在金属双极板表面镀覆功能性薄膜，以提高其耐腐蚀性并降低接触电阻，其中，制备的非晶碳膜、贵金属薄膜在一定程度上已满足美国能源部对燃料电池极板提出的要求，但贵金属薄膜成本高，制约着其商业化应用。由于碳资源量丰富且无害，考虑资源及环境问题，碳是一种极好的材料，目前国内外多针对非晶碳膜进行改进，以提高其耐腐蚀性，降低接触电阻。非晶碳膜具有较好的导电性能及耐腐蚀性，但燃料电池汽车实际车载工况较为复杂，其中低载怠速、循环加载、启动停止等典型工况均会导致非晶碳膜的涂层性能衰减，尤其因启动停止工况在阳极产生氢空界面导致反向电流产生进而在阴极产生高达1.5-2.0VSHE的高电位会造成非晶碳膜的严重腐蚀流失，从而导致基体钝化极板与气体扩散层接触电阻的显著增加。授权公告号为CN101640276B的中国专利技术专利公开了一种采用磁控溅射在非晶碳涂层中掺杂金属元素制备燃料电池金属双极板涂层的方法，该方法制备得到的涂层接触电阻有所降低，但数据表明其接触电阻在双极板工作压力下大于10mΩ·cm2，其缺陷还在于：掺杂贵金属导致制备成本增加，掺杂其余金属，因掺杂金属氧化易导致涂层腐蚀后接触电阻增加量较大。授权公告号为CN101604756B的中国专利技术专利公开了一种采用脉冲式阴极真空电弧法依次在极板表面蒸镀金属打底层、金属碳化物层、碳层的复合涂层，该涂层的缺陷在于，涂层性能受最外层非晶碳的限制，在启动停止的高电位下依旧容易发生严重腐蚀导致涂层性能下降。LewinEetal.在《JournalofAppliedPhysics》(2006年100卷5期85-88页)上发表的Nanocompositenc-TiC/a-Cthinfilmsforelectricalcontactapplications中采用非反应磁控溅射制备的TiC嵌入非晶碳网络结构中的复合涂层，其中TiC的嵌入可降低涂层内应力，并改变非晶碳结构进而影响涂层耐磨性能，但该涂层主要用以改善非晶碳膜的机械性能，不具有在复杂车载工况中高电位下的耐腐蚀性能。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于金属极板的耐蚀合金嵌入型非晶碳涂层及其制备。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种用于金属极板的耐蚀合金嵌入型非晶碳涂层，该涂层设置在金属极板上，所述的涂层包括设置在金属极板上的金属打底层以及设置在金属打底层上的耐蚀合金嵌入非晶碳网复合层，该耐蚀合金嵌入非晶碳网复合层包括非晶碳网以及嵌入在非晶碳网内的耐蚀合金。耐蚀合金嵌入非晶碳网的网络结构中，用以改善非晶碳网结构，降低涂层内应力，提高涂层性能稳定性，进而提高金属极板服役过程中的导电性能及耐腐蚀性能稳定性。进一步地，所述的金属打底层中的金属包括Ti、Cr、W、Zr、Nb或Ta中的一种或更多种。金属打底层为耐蚀金属打底层，金属打底层中的金属为抗氧化性能较好的耐腐蚀金属，能够提高金属极板的耐腐蚀性能，金属打底层的制备方法可以为PVD、CVD、离子镀等。金属打底层还能够提高导电耐腐蚀性涂层与基体的结合力。进一步地，所述的金属打底层的厚度为1-100nm，所述的非晶碳网的厚度为50-1000nm，所述的耐蚀合金的厚度为50-1000nm。耐蚀合金嵌入非晶碳网复合层的厚度为50-1000nm。进一步地，所述的非晶碳网中包含sp2杂化键及sp3杂化键。非晶碳网的结构中包含较多的sp2杂化键及尽可能少的O含量，以保证其较好的导电性能及耐腐蚀性能，同时还包含一定量的sp3杂化键，以保证其较好的机械性能。其中，sp2杂化键的占比大于50％且小于100％，sp3杂化键占比小于40％且大于0％。进一步地，所述的耐蚀合金包括二元合金或三元合金中的一种或两种，并且所述的耐蚀合金的颗粒大小为1-500nm。进一步地，所述的二元合金包括TiCx、ZrCx、CrCx、MoCx、WCx、NbCx、TiNbx、TiCrx或CrNbx中的一种或更多种，所述的三元合金包括Ti-Si-C、Ti-Cr-C、Ti-Nb-C或Cr-Nb-C中的一种或更多种。进一步地，所述的非晶碳网内还掺杂有金属单质。金属单质中的金属元素即为耐蚀合金中的金属元素。沉积耐蚀合金的同时会沉积少量金属单质，金属单质的掺入可在一定程度上促进C-sp2杂化键的形成，从而提高涂层导电性能。进一步地，所述的耐蚀合金嵌入非晶碳网复合层上还设有非晶碳层。非晶碳层的厚度为10-500nm。在耐蚀合金嵌入非晶碳网复合层表面继续镀覆10-500nm的非晶碳层，能够进一步提高涂层的性能稳定性。可根据实际需要，在金属打底层上交替沉积多层耐蚀合金嵌入非晶碳网复合层及非晶碳层。一种用于金属极板的耐蚀合金嵌入型非晶碳涂层的制备方法，该方法包括以下步骤：1)对金属极板表面进行清洁；2)在金属极板上沉积金属打底层；3)在金属打底层表面沉积耐蚀合金嵌入非晶碳网复合层。进一步地，步骤1)中，使用清洗剂清洗金属极板表面油污、杂质，并将清洗后的金属极板烘干放入炉腔，开启离子源产生等离子体轰击金属极板表面，以去除表面氧化膜，提高表面清洁程度，增强膜基结合力。进一步地，步骤2)中，在步骤1)处理后的金属极板上预先沉积1-100nm的Ti、Cr、W、Zr、Nb、Ta等抗氧化性能较好的金属打底层，提高涂层耐腐蚀性，同时作为过渡层提高膜基结合力。进一步地，步骤3)中，在步骤2)中沉积的金属打底层表面同时开始沉积非晶碳网及耐蚀合金，沉积厚度为50-1000nm，结束时同时停止碳与合金元素的沉积，合金纳米微晶嵌入在非晶碳网结构中，形成致密的导电耐腐蚀薄膜。进一步地，步骤3)中，采用合金靶与石墨靶共溅射沉积法或反应溅射结合石墨靶共溅射沉积法，在金属打底层表面沉积耐蚀合金嵌入非晶碳网复合层。其中，反应溅射为金属靶与反应气体的反应溅射。耐蚀合金嵌入非晶碳网复合层可通过石墨靶电流、合金靶电流、偏压、气体流量、温度、靶基距等工艺参数的修改以改变薄膜沉积中各元素占比、薄膜结构、微观形貌等，得到性能较优的复合涂层。采用合金靶与石墨靶共溅射沉积，以结合非晶碳及耐蚀合金的优异性能，可通过改变制备工艺参数调节耐蚀合金中各元素比例及合金颗粒大小以得到最优性能；采用反应溅射结合石墨靶共溅射沉积，嵌入的耐蚀合金可通过反应溅射制备本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于金属极板的耐蚀合金嵌入型非晶碳涂层，该涂层设置在金属极板(1)上，其特征在于，所述的涂层包括设置在金属极板(1)上的金属打底层(2)以及设置在金属打底层(2)上的耐蚀合金嵌入非晶碳网复合层，该耐蚀合金嵌入非晶碳网复合层包括非晶碳网(3)以及嵌入在非晶碳网(3)内的耐蚀合金(4)。

【技术特征摘要】
1.一种用于金属极板的耐蚀合金嵌入型非晶碳涂层，该涂层设置在金属极板(1)上，其特征在于，所述的涂层包括设置在金属极板(1)上的金属打底层(2)以及设置在金属打底层(2)上的耐蚀合金嵌入非晶碳网复合层，该耐蚀合金嵌入非晶碳网复合层包括非晶碳网(3)以及嵌入在非晶碳网(3)内的耐蚀合金(4)。2.根据权利要求1所述的一种用于金属极板的耐蚀合金嵌入型非晶碳涂层，其特征在于，所述的金属打底层(2)中的金属包括Ti、Cr、W、Zr、Nb或Ta中的一种或更多种。3.根据权利要求1所述的一种用于金属极板的耐蚀合金嵌入型非晶碳涂层，其特征在于，所述的金属打底层(2)的厚度为1-100nm，所述的非晶碳网(3)的厚度为50-1000nm，所述的耐蚀合金(4)的厚度为50-1000nm。4.根据权利要求1所述的一种用于金属极板的耐蚀合金嵌入型非晶碳涂层，其特征在于，所述的非晶碳网(3)中包含sp2杂化键及sp3杂化键。5.根据权利要求1所述的一种用于金属极板的耐蚀合金嵌入型非晶碳涂层，其特征在于，所述的耐蚀合金(4)包括二元合金或三元合金中的一种或两种，并且所述的耐蚀合金(4)的颗粒大小为1-500nm。6.根据权利要求5...

【专利技术属性】
技术研发人员：来新民，李骁博，易培云，彭林法，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31