通过直流反应在钛基体表面溅射多层涂层的方法技术

本发明专利技术提供一种通过直流反应在钛基体表面溅射多层涂层的方法，采用多弧离子镀方法，通过直流反应在钛基体表面溅射多层涂层；多层涂层包括过渡层和外层；所述的过渡层为Ti基金属固溶体；外层为Ti基氮氧化物固溶体；通过调控元素组成及薄膜织构，制备出同时具有高耐蚀性和高导电性的薄膜。本发明专利技术改性后双极板的导电性能和耐腐蚀性能有了明显的改善。在苛刻的腐蚀条件下，即80℃下、0.5mol/L H2SO4+2ppmHF溶液中、通入空气模拟PEMFC的阴极工作环境，通过动电位极化测试得腐蚀电流密度由钛基底的3.84μA/cm2降低至0.128μA/cm2。在140N/cm2的压紧力下，双极板与气体扩散层的界面接触电阻由35.0mΩ

【技术实现步骤摘要】
通过直流反应在钛基体表面溅射多层涂层的方法


[0001]本专利技术属于质子交换膜燃料电池
，具体涉及一种通过直流反应在钛基体表面溅射多层涂层的方法。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种以氢气和氧气为燃料，将化学能转化为电能的装置，单电池的工作电压为0.65
‑
0.9V。它具有工作温度相对较低(
‑
30℃
‑
90℃)、启动时间快、转换效率高(40％
‑
60％)、对环境友好等优点得到了研究者们的青睐。PEMFC主要由膜电极、双极板、气体扩散层以及密封圈等组件组成。其中，双极板作为燃料电池的重要组件之一，占电堆成本的40％，体积的70％，重量的80％。它具有集流导电、连接单体模块、分隔反应气体、排除产物水等重要作用。因此，理想的双极板须具有较好的机械加工性能、较强的力学性能以及优良的耐腐蚀性能和导电性能。
[0003]石墨双极板是最早开发应用的双极板，具有低密度、高电导率和良好的抗腐蚀性等优点，然而它的脆性大、且加工性能差，从而限制了它的应用范围。金属双极板具有良好的导电性、导热以及机械性能，可做成超薄板，同时容易进行批量生产，因此受到了研究者们的广泛关注。然而在PEMFC的酸性工作环境中，金属易被腐蚀；同时金属表面自发生成的低导电性的氧化膜会增大双极板与气体扩散层之间的界面接触电阻，从而增加欧姆损耗，降低PEMFC的输出功率。
[0004]目前主要在金属双极板表面制备金属、金属氮化物、金属碳化物、导电聚合物等涂层以提高耐腐蚀性能和导电性能。徐江通过双阴极等离子溅射在钛合金基底上制备致密的纳米晶Zr涂层(申请公布号：CN104835968 A一种质子交换膜燃料电池钛合金双极板纳米晶Zr涂层及其制备方法)，涂层的腐蚀电流密度达10
‑6μA/cm2，在140N/cm2压力下，涂层的ICR值为40mΩ
·
cm2。邵志刚等人通过电弧离子镀法在钛基底表面制备单层金属涂层，金属为Nb、Cr、Zr、Mo中的一种或以上(申请公布号：CN111244493 A一种质子交换膜燃料电池薄钛双极板的表面改性方法)。在0.6V(vs.SCE)恒电位下测试4h，腐蚀电流密度为1.992μA/cm2(0.5M H2SO4+5ppm KF)，在150N/cm2的压紧力下，涂层与碳纸之间的界面接触电阻为13.52mΩ
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cm2。由此可以看出，单层涂层难以同时兼具高的耐腐蚀性能和导电性能。
[0005]王杰等人通过磁控溅射技术在不锈钢表面制备Ti/TiN
x
O
y
多层涂层(申请公布号：CN112144027A不锈钢表面沉积TiN
x
O
y
涂层双极板材料及其制备方法与应用)，腐蚀电流密度为2.05
×
10
‑8A/cm2(0.5M H2SO4+4ppm HF，70℃)，在模拟启动/关闭6000次循环后(1.1～1.6V)，140N/cm2下，ICR值为9.1mΩ
·
cm2。黎焕明等人在不锈钢表面制备金属内层(Au、Ag、Pt)/过渡层(Ti、Cr、Nb、Ta、W、Mo、C、N、Si的一种或多种)/界面扩散层(Ti、Cr、Nb、Ta、W、Mo的碳化物或氮化物，或非金属C、Si)/表面导电层(Au、Ag、Pt)多层涂层(申请公布号：CN 112795886 A一种用于金属双极板成形的导电耐蚀预涂层及其制备方法)。制备的Ti/TiN/C涂层腐蚀电流密度为4.5
×
10
‑5A/cm2(1.6V vs.SCE，10h),在0.6MPa的压紧力下，涂层与碳纸之间的界面接触电阻为3.8mΩ
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cm2。该涂层虽然具有良好的导电性能，但是耐腐蚀性能
却达不到DOE的标准(腐蚀电流密度<1.0μA/cm2)。侯明等人通过离子镀方法在不锈钢表面制备过渡层(Cr、Ti、Ni、Cu、Al、V、Co、Ag、Au中的一种或二种以上)/最外层(Cr、Ti、Ni、Al、V一种或两种以上的金属氮化物)涂层。改性后的涂层腐蚀电流密度为0.12μA/cm2，在1.4MPa的压紧力下，涂层与碳纸之间的界面接触电阻为5.17mΩ
·
cm2(申请公布号：CN 106684394 A一种质子交换膜燃料电池不锈钢双极板表面改性方法)。但是，制备的涂层表面存在裂纹。

技术实现思路

[0006]针对上述技术问题，本专利技术提供通过直流反应在钛基体表面溅射多层涂层的方法，采用多弧离子镀技术，在金属Ti基底表面制备致密的双层涂层。通过对涂层元素及组成，以及织构的调控，同时实现双极板的高耐腐蚀性和高导电性能。
[0007]具体的技术方案为：
[0008]通过直流反应在钛基体表面溅射多层涂层的方法，采用多弧离子镀技术，通过直流反应在钛基体表面溅射多层涂层。多层涂层包括过渡层和外层。其中，过渡层为Ti基金属固溶体，主要成分包括Ti、Cr中的一种或两种(Ti的含量：100～24.46at.％；Cr的含量：0～75.54at.％)；外层为Ti基氮氧化物固溶体，主要成分为Ti、Cr、O、N中的三种或者四种(Ti的含量：41.87～11.87at.％；Cr的含量：0～34.01at.％；N的含量：41.95～53.71at.％；O的含量：8.49～14.57at.％)。通过调控元素组成及薄膜织构，制备出同时具有高耐蚀性和高导电性的薄膜。
[0009]具体包括以下步骤：
[0010](1)将钛基体依次用丙酮和无水乙醇各超声清洗30min，用以除去钛基体表面的油脂，然后放入80℃真空干燥箱烘干备用。
[0011](2)将干燥后的钛基体放入多弧离子镀仪器腔体中，将靶材安装在腔体上，关上腔体门。然后将真空抽至4.0
×
10
‑3Pa，通入氩气并使腔体内压力保持在1Pa对钛基体进行溅射清洗，溅射清洗过程设定靶材弧电流80A，基底直流偏压
‑
250V，时间30min。
[0012](3)将靶材的电流设置为120A，基底直流偏压为
‑
100V，溅射时间为8～10min，制备过渡层。
[0013](4)通入氮气，靶材的电流设置为120A，基底直流偏压为
‑
100V，靶材溅射总能量为300A.h，制备外层薄膜。其中，O来自于腔体内残余氧气。
[0014]其中，靶材为一个钛靶，或者一个钛靶和一个铬靶。
[0015]相比于纯钛金属双极板，改性后双极板的导电性能和耐腐蚀性能有了明显的改善。在苛刻的腐蚀条件下，即80℃下、0.5mol/L H2SO4+2ppmHF溶液中、通入空气模拟PEMFC的阴极工作环境，通过动电位极化测试得腐蚀电流密度由钛基底的3.84μA/cm2降低至0.128μA/cm2。在140N/cm2的压紧力下，双极板与气体扩散层的界面接触电阻由本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.通过直流反应在钛基体表面溅射多层涂层的方法，其特征在于，采用多弧离子镀方法，通过直流反应在钛基体表面溅射多层涂层；多层涂层包括过渡层和外层；所述的过渡层为Ti基金属固溶体；外层为Ti基氮氧化物固溶体；通过调控元素组成及薄膜织构，制备出同时具有高耐蚀性和高导电性的薄膜。2.根据权利要求1所述的通过直流反应在钛基体表面溅射多层涂层的方法，其特征在于，所述的过渡层，成分包括Ti，或者还包括Cr；Ti的含量：100～24.46at.％；Cr的含量:0～75.54at.％；所述的外层，成分为Ti、Cr、N、O中的三种或者四种；Ti的含量：41.87～11.87at.％；Cr的含量：0～34.01at.％；N的含量：41.95～53.71at.％；O的含量：8.49～14.57at.％。3.根据权利要求1所述的通过直流反应在钛基体表面溅射多层涂层的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：(1)将钛基体依次用丙酮和无水乙醇依次超声清洗30分钟，用以除去钛基体表面的油脂，然后放入真空干燥箱烘干备用；(2)将干燥后的钛基体放入多弧离子镀仪器腔体中，将靶材安装在腔体上，关上腔体门；设置参数，进行溅...

【专利技术属性】
技术研发人员：严义刚，李涛，陈云贵，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：