一种用于金属极板的类金刚石复合涂层及其制备方法技术

本申请涉及一种类金刚石复合涂层及其制备方法，类金刚石复合涂层特征在于，所述类金刚石复合涂层包含：在所述金属极板上形成的第一层和第二层，其中所述第一层为未掺杂的类金刚石层，所述第二层是掺杂的类金刚石层；在所述金属极板与所述第一层之间的过渡层；和在所述第一层和所述第二层之间的梯度层；其中，所述过渡层使用包含有机硅氧化合物和含碳氢源的材料以薄膜沉积的方式制备，并且所述有机硅氧化合物的浓度从所述金属极板至所述第一层的方向上逐渐减小；其中，所述梯度层包含掺杂离子，所述掺杂离子的浓度在从所述第一层至所述第二层的方向上逐渐增加直至与所述第二层中掺杂离子的浓度相同。中掺杂离子的浓度相同。中掺杂离子的浓度相同。

【技术实现步骤摘要】
一种用于金属极板的类金刚石复合涂层及其制备方法


[0001]本申请涉及半导体真空镀膜技术，尤其涉及一种类金刚石复合涂层以及通过薄膜沉积工艺制备该类金刚石复合涂层的方法。

技术介绍

[0002]类金刚石薄膜是一种含有sp2键和sp3键的亚稳态非晶碳薄膜，具有与金刚石类似的特性，因而广泛应用于有涂覆涂层需求的各类零件上。
[0003]双极板是燃料电池或氧化还原液流电池的重要部件之一，双极板通常位于电池单元正极与另一电池单元负极的界面，以用于(1)构成电池单元骨架以支撑电池单元；(2)构成导电体将电池单元串联或并联以组成电池组；(3)通过流道向电极提供反应材料(反应气体或电解液)；(4)协调水与热的管理，防止冷却介质或反应材料外漏。
[0004]因此，双极板需要具有高电导率、足够的机械强度、良好的热导、气体透过率低、抗腐蚀且能在电池工作环境中化学稳定相当长的时间。现有双极板的材料分为石墨材料、复合材料、金属材料三种，其中金属材料具备重量轻、体积小、能够在有限的空间集成更大的功率等特征，而在某些空间有限制的领域具有应用潜力，而且金属双极板可以使燃料电池具有极好的低温特性，实现快速启动等优点。
[0005]现有技术中，通常双极板的涂层材料主要包括石墨、导电高分子、金属氮化物、金属碳化物、贵金属等。目前可用的贵金属涂层，如金、银、铂等，尽管它们可以使金属双极板获得良好的性能，但是成本高昂，并不适合在商业上推广使用。有些涂层材料，例如TiN(接触电阻为30mΩ
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cm2)、Ti2N
>‑
TiN(接触电阻为31mΩ
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cm2)、混合石墨碳(接触电阻为50mΩ
·
cm2)等，这些涂层材料虽然在一定程度上部分满足要求，但仍无法满足对双极板接触电阻的性能要求，涂层的长期的稳定性有待改善，并且难以实现耐腐蚀性、导电性、成本低的综合改善。
[0006]在现有工艺的制备过程中会有颗粒沉积，导致涂层中存在针孔，使得金属极板基材在燃料电池运行中通过涂层的针孔而发生电化学腐蚀。另外，由于涂层和金属基材热膨胀系数不同，工况循环时发生的热循环会导致微裂纹，特别是目前比较有潜力的金属双极板表面金属基涂层和碳基涂层以及制备方式存在一些针孔缺陷，短时间内可以达到耐蚀导电的目的，然而在长期(超过10000小时)往复启动、停止和冷启动等严苛服役条件下，电解质会穿过涂层对金属基体产生腐蚀，从而导致涂层失效。
[0007]因此，存在对极板的涂层材料与制备方式进行进一步改善需求。

技术实现思路

[0008]本申请提供一种用于金属极板的类金刚石复合涂层以及低温工艺制备方法以试图在解决至少一个存在于相关领域中的问题。
[0009]本申请提供一种用于金属极板的类金刚石复合涂层，其特征在于，所述类金刚石复合涂层包含：
[0010]在所述金属极板上形成的第一层和第二层，其中所述第一层为未掺杂的类金刚石层，所述第二层是掺杂的类金刚石层；
[0011]在所述金属极板与所述第一层之间的过渡层；和
[0012]在所述第一层和所述第二层之间的梯度层；
[0013]其中，所述过渡层使用包含有机硅氧化合物和含碳氢源的材料以薄膜沉积的方式制备，并且所述有机硅氧化合物的浓度从所述金属极板至所述第一层的方向上逐渐减小；
[0014]其中，所述梯度层包含掺杂离子，所述掺杂离子的浓度在从所述第一层至所述第二层的方向上逐渐增加直至与所述第二层中掺杂离子的浓度相同。
[0015]在一些实施例中，本申请的类金刚石复合涂层的特征在于，所述第一层是使用含碳氢源形成的等离子体通过薄膜沉积的方式制备的致密且具有抗腐蚀性的未掺杂的类金刚石层，其中所述第一层中碳sp3含量在70
‑
90％之间。
[0016]在一些实施例中，本申请的类金刚石复合涂层的特征在于，所述第二层是使用含碳氢源的等离子体并向其中添加金属离子、氮气或硅烷气体作为掺杂源通过薄膜沉积的方式制备的掺杂的类金刚石涂层；所述第二层具有小于10毫欧姆
·
平方厘米的低接触电阻，并且所述第二层中碳sp3含量在50
‑
80％之间。
[0017]在一些实施例中，本申请的类金刚石复合涂层的特征在于，所述梯度层和所述第二层是连续制备的，当所述梯度层中的离子掺杂浓度达到一定值后，保持所述掺杂浓度恒定，连续制备所述第二层。
[0018]在一些实施例中，本申请的类金刚石复合涂层的特征在于，所述掺杂离子是选自Cr、Ti、Mo、Si或N中的至少一种。
[0019]在一些实施例中，本申请的类金刚石复合涂层的特征在于，所述掺杂离子是由溅射靶材Cr、Ti、Mo或Si获得。
[0020]在一些实施例中，本申请类金刚石复合涂层的特征在于，所述掺杂离子是通过输入氮气或硅烷气体获得。
[0021]在一些实施例中，本申请类金刚石复合涂层的特征在于，所述第一层的厚度为1
‑
5微米。
[0022]在一些实施例中，本申请类金刚石复合涂层的特征在于，所述第二层的厚度是1
‑
3微米。
[0023]在一些实施例中，本申请类金刚石复合涂层的特征在于，所述过渡层和所述梯度层各自的厚度是0.1
‑
1微米。
[0024]在一些实施例中，本申请类金刚石复合涂层的特征在于，所述类金刚石复合涂层具有超过95％的厚度均匀性分布。
[0025]本申请还提供一种低温制备类金刚石复合涂层的方法，采用薄膜沉积的方式可以制备高致密的类金刚石涂层，并减小和避免颗粒和针孔缺陷，而且涂层的均匀性超过95％。
附图说明
[0026]在下文中将简要地说明为了描述本申请实施例或现有技术所必要的附图以便于描述本申请的实施例。显而易见地，下文描述中的附图仅只是本申请中的部分实施例。对本领域技术人员而言，在不需要创造性劳动的前提下，依然可以根据这些附图中所例示的结
构来获得其他实施例的附图。
[0027]图1：本申请的类金刚石复合涂层的结构示意图。
[0028]图2：接触电阻的测量方法。
[0029]图3：本申请的用于制备类金刚石复合涂层的沉积腔示意图，其中示出了腔室8、等离子体9、金属极板10、脉冲电源11、功率电源12、不同反应气体13和14以及溅射源15。
具体实施方式
[0030]本申请的实施例将会被详细的描示在下文中。在本申请说明书全文中，将相同或相似的组件以及具有相同或相似的功能的组件通过类似附图标记来表示。在此所描述的有关附图的实施例为说明性质的、图解性质的且用于提供对本申请的基本理解。本申请的具体实施说明和实施例不应该被解释为对本申请的限制。
[0031]如本文中所使用，术语“大致”、“大体上”、“实质”及“约”用以描述及说明小的变化。当与事件或情形结合使用时，所述术语可指代其中事件或情形精确发生的例子以及其中事件或情形极近似地发生的例子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于金属极板的类金刚石复合涂层，其特征在于，所述类金刚石复合涂层包含：在所述金属极板上形成的第一层和第二层，其中所述第一层为未掺杂的类金刚石层，所述第二层是掺杂的类金刚石层；在所述金属极板与所述第一层之间的过渡层；和在所述第一层和所述第二层之间的梯度层；其中，所述过渡层使用包含有机硅氧化合物和含碳氢源的材料以薄膜沉积的方式制备，并且所述有机硅氧化合物的浓度从所述金属极板至所述第一层的方向上逐渐减小；其中，所述梯度层包含掺杂离子，所述掺杂离子的浓度从所述第一层至所述第二层的方向上逐渐增加直至与所述第二层中掺杂离子的浓度相同。2.根据权利要求1所述的类金刚石复合涂层，其特征在于，所述第一层是使用含碳氢源形成的等离子体通过薄膜沉积的方式制备的致密且具有抗腐蚀性的未掺杂的类金刚石层，其中所述第一层中碳sp3含量在70
‑
90％之间。3.根据权利要求1所述的类金刚石复合涂层，其特征在于，所述第二层是使用添加有金属离子、氮气或硅烷气体作为掺杂源的含碳氢源的等离子体通过薄膜沉积的方式制备的掺杂的类金刚石涂层；所述第二层具有小于10毫欧姆
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平方厘米的低接触电阻，并且所述第二层中碳sp...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱锋，
申请(专利权)人：纳狮新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：