一种高硬耐腐蚀涂层及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种高硬耐腐蚀涂层及其制备方法和应用，涉及涂层制备技术领域。本发明专利技术提供的高硬耐腐蚀涂层，按照各成分的原子百分数计，包括：Si3～14％，Ti30～33％，B55～66％；所述高硬耐腐蚀涂层为Ti(Si)B2固溶体结构。本发明专利技术提供的高硬耐腐蚀涂层相比于传统的二元硼化物涂层，具有更高的硬度和耐腐蚀性，并保持较低的电阻率，适于燃料电池金属双极板的防护。护。护。

【技术实现步骤摘要】
一种高硬耐腐蚀涂层及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及涂层制备
，具体涉及一种高硬耐腐蚀涂层及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]目前的能源消耗很大一部分来自于石油、煤炭等化石资源。化石资源正在逐渐枯竭，其可持续性难以保证，并且会对环境造成不可逆转的伤害。所以，需要一些清洁环保、可持续发展的新能源对化石能源进行替代，例如燃料电池。燃料电池通过化学反应获取能量，具有高效性，并且没有污染。但燃料电池的发展和升级的过程中还存在着很多问题。燃料电池双极板是燃料电池中的重要组成部分，常见的双极板材料包括石墨、金属等。石墨双极板虽然有良好的导电性、导热性、耐腐蚀性等优点，但是其具有力学性能差、易碎且难以组装、成本较高且难以加工、阻气性较差等问题，极大的限制了其应用。而金属双极板在保证优良的导电导热性质同时，还具有优异的力学性能，而且生产成本低，经济高效，阻气性好，受到人们的青睐，但其存在的问题就是耐腐蚀性能较差，金属双极板被腐蚀产生的钝化层会增加接触电阻，降低电池效率。
[0003]针对这一问题，一个有效的方法就是在金属双极板上镀一层保护涂层，防止其受到腐蚀。过渡族金属硼化物是一种具有优异力学性能、高电导率、高化学稳定性且耐腐蚀的材料，是一种比较合适的防护涂层材料，但仍然难以满足燃料电池金属双极板的耐腐蚀性需求。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种高硬耐腐蚀涂层及其制备方法和应用。本专利技术提供的高硬耐腐蚀涂层相比于传统的二元硼化物涂层，具有更高的硬度和耐腐蚀性，并保持较低的电阻率，适于燃料电池金属双极板的防护。
[0005]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0006]本专利技术提供了一种高硬耐腐蚀涂层，按照各成分的原子百分数计，所述高硬耐腐蚀涂层包括：Si 3～14％，Ti 30～33％，B 55～66％；所述高硬耐腐蚀涂层为Ti(Si)B2固溶体结构。
[0007]优选地，所述高硬耐腐蚀涂层的厚度为1～2μm。
[0008]本专利技术提供了上述技术方案所述高硬耐腐蚀涂层的制备方法，包括以下步骤：
[0009]以TiB2靶和Si靶为靶材，利用磁控溅射法，在基底表面溅射得到所述高硬耐腐蚀涂层。
[0010]优选地，在磁控溅射过程中，所述TiB2靶和Si靶共溅射。
[0011]优选地，在磁控溅射过程中，所述TiB2靶的功率为直流50～200W，所述Si靶的功率为射频20～65W。
[0012]优选地，所述溅射在氩气气氛条件下进行，所述氩气的流量为50～100sccm。
[0013]优选地，所述溅射的工作压强为0.8～1Pa。
[0014]优选地，所述基底包括硅片、蓝宝石、钛片或钛箔。
[0015]优选地，在磁控溅射过程中，所述基底的温度为200～500℃，对所述基底施加的电压为-60～-130V。
[0016]本专利技术还提供了上述技术方案所述的高硬耐腐蚀涂层或上述技术方案所述制备方法制备得到的高硬耐腐蚀涂层在燃料电池金属双极板中的应用。
[0017]本专利技术提供了一种高硬耐腐蚀涂层，按照各成分的原子百分数计，所述高硬耐腐蚀涂层包括：Si 3～14％，Ti 30～33％，B 55～66％；所述高硬耐腐蚀涂层为Ti(Si)B2固溶体结构。在本专利技术中，Si的掺入填补了TiB2晶体中的缺陷，使TiB2的晶体结构更加完善，能够提高涂层的耐腐蚀性；而且，Si元素在腐蚀介质中会发生钝化反应，生成Si的氧化物形成钝化膜，所以Si元素的掺入会导致在发生腐蚀反应的时候，样品表面生成一层致密均匀的钝化膜，这层钝化膜具有优异的耐腐蚀性和稳定性，进一步提高涂层的耐腐蚀性和硬度。实施例结果表明，本专利技术提供的高硬耐腐蚀涂层的硬度达到23～31GPa，在3.5％NaCl溶液浸泡72h后，涂层自腐蚀电位为-0.02～0.73V，自腐蚀电流为2.6
×
10-6
～4
×
10-7
A/cm2，交流阻抗3.3
×
104～2
×
105Ω/cm2，其力学性能和耐腐蚀性能都优于传统的TiB2涂层；另外，本专利技术提供的高硬耐腐蚀涂层的电阻率保持在858～1344μΩ
·
cm，略高于TiB2涂层。由此说明，本专利技术提供的高硬耐腐蚀涂层相比于传统的二元硼化物涂层，具有更高的硬度和耐腐蚀性，并保持较低的电阻率，适于燃料电池金属双极板的防护。
附图说明
[0018]图1为靶材与基底的位置关系示意图；
[0019]图2为对比例1和实施例1～3制备的高硬耐腐蚀涂层的XRD图；
[0020]图3为实施例1制备的高硬耐腐蚀涂层的高分辨图。
具体实施方式
[0021]本专利技术提供了一种高硬耐腐蚀涂层，按照各成分的原子百分数计，所述高硬耐腐蚀涂层包括：Si 3～14％，Ti 30～33％，B 55～66％；所述高硬耐腐蚀涂层为Ti(Si)B2固溶体结构。
[0022]在本专利技术中，按照各成分的原子百分数计，所述高硬耐腐蚀涂层优选包括：Si 5～7％，Ti 30％，B 63～65％。
[0023]在本专利技术中，所述高硬耐腐蚀涂层的厚度优选为1～2μm，更优选为1.2μm。
[0024]本专利技术还提供了上述技术方案所述高硬耐腐蚀涂层的制备方法，包括以下步骤：
[0025]以TiB2靶和Si靶为靶材，利用磁控溅射法，在基底表面溅射得到所述高硬耐腐蚀涂层。
[0026]在本专利技术中，所述TiB2靶的纯度优选为99～99.99％；所述TiB2靶优选为圆柱体，直径优选为40～80mm，更优选为60mm，厚度优选为5mm。在本专利技术中，所述TiB2靶优选进行预溅射去除靶材表面的氧化物等杂质。在本专利技术中，所述预溅射优选在氩气气氛条件下进行，所述预溅射时TiB2靶的功率优选为100W，时间优选为15～20min。本专利技术在所述预溅射过程中，优选遮挡基底表面，防止等离子体辉光照到基底表面。
[0027]在本专利技术中，所述Si靶的纯度优选为99～99.99％；所述Si靶优选为圆柱体，直径优选为40～80mm，更优选为60mm，厚度优选为5mm。在本专利技术中，所述Si靶优选进行预溅射去除靶材表面的氧化物等杂质。在本专利技术中，所述预溅射优选在氩气气氛条件下进行，所述预溅射时Si靶的功率优选为100W，时间优选为15～20min。本专利技术在所述预溅射过程中，优选遮挡基底表面，防止等离子体辉光照到基底表面。
[0028]本专利技术在所述溅射过程中，优选将所述TiB2靶和Si靶共溅射，具体优选为：所述TiB2靶和Si靶同时溅射，使得两个靶材释放的等离子体均匀镀到基底表面。
[0029]在本专利技术中，所述TiB2靶和Si靶与基底的位置关系优选如图1所示，所述TiB2靶和Si靶优选均设置于基底上方；所述TiB2靶和Si靶对立面设置，所述TiB2靶与水平面的夹角优选为45
°
，所述Si靶与水平面的夹角优选为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高硬耐腐蚀涂层，其特征在于，按照各成分的原子百分数计，所述高硬耐腐蚀涂层包括：Si 3～14％，Ti 30～33％，B 55～66％；所述高硬耐腐蚀涂层为Ti(Si)B2固溶体结构。2.根据权利要求1所述的高硬耐腐蚀涂层，其特征在于，所述高硬耐腐蚀涂层的厚度为1～2μm。3.权利要求1或2所述高硬耐腐蚀涂层的制备方法，包括以下步骤：以TiB2靶和Si靶为靶材，利用磁控溅射法，在基底表面溅射得到所述高硬耐腐蚀涂层。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在磁控溅射过程中，所述TiB2靶和Si靶共溅射。5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，在磁控溅射过程中，所述TiB2靶的功率为直流5...

【专利技术属性】
技术研发人员：张侃，董传尧，汪佳，文懋，郑伟涛，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：