一种改性碳基复合涂层及制备方法、双极板技术

本发明专利技术公开了一种改性碳基复合涂层及制备方法、双极板。涂层包括依次叠置的金属基材、扩散层、金属种子层、扩散层、梯度过渡层、扩散层和掺杂非晶碳涂层；梯度过渡层的材质为过渡金属Ti、Cr、Nb、Zr、Mo和Ta的碳化物或氮化物；掺杂非晶碳涂层的材质为掺杂Cr、Ti、Zr、Mo和Ta中的一种或多种的氮化物颗粒的非晶碳。本发明专利技术改性碳基复合涂层中，非晶碳涂层中掺杂金属元素在后续处理中对所掺杂的金属进行氮化处理，生成氮化物颗粒，大幅度降低涂层的内部压应力，减少涂层内的孔隙缺陷，提高碳膜中有序结构含量的增加，使涂层电子传导更容易，进而降低涂层的界面接触电阻，提高涂层整体的致密性、导电性和耐腐蚀性。电性和耐腐蚀性。电性和耐腐蚀性。

【技术实现步骤摘要】
一种改性碳基复合涂层及制备方法、双极板


[0001]本专利技术涉及涂层材料领域，具体涉及一种改性碳基复合涂层及制备方法、双极板。

技术介绍

[0002]随着传统化石能源短缺和环境污染问题的广泛研究，迫切需要一种清洁的可再生能源来减少我们对化石燃料的依赖。在众多新能源中，氢能以其资源丰富、热值高、环境友好等特点备受关注。氢燃料电池是将氢气的化学能直接转化为电能的装置，与传统动力源相比，具有高效率和零排放的特点。质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC)因其体积小、启动快、工作温度低而被认为是新能源汽车最有前途的能源之一。然而，对其可靠性、耐久性和成本的担忧阻碍了PEMFC的广泛商业应用。
[0003]双极板(BPP)作为PEMFC的关键多功能性组件，构成超过80％的重量和总成本的30％，起到分离反应气体，收集电流，消除产物水，机械支撑整个电堆的作用，对质子交换膜燃料电池的使用寿命至关重要。金属双极板因其优良的导电性能和导热性能、体积小、加工工艺成熟、成本低廉而成为汽车燃料电池的主流板材。然而，由于表面钝化导致的表面电导率不足以及在酸性燃料电池环境中耐腐蚀性较差，阻碍了其作为BPP材料的广泛应用。也有研究表明，在长期使用中，裸金属板(尤其是不锈钢)几乎不能提供所需的性能。因此，迫切需要对金属BPP进行表面改性，以提高其耐蚀性和导电性。
[0004]目前较为成熟的表面改性技术是在金属双极板上沉积贵金属涂层、金属碳化物或氮化物涂层以及碳基涂层。相较于贵金属涂层、金属碳化物或氮化物涂层，碳基涂层具有价格低廉、自腐蚀电位高、导电性好等优点。然而，碳基涂层尤其是非晶碳涂层在高电位下并不能有效抵抗腐蚀，经过高电位恒电位计极化测试后出现剥落的现象。为此，研究人员对碳基涂层进行了一些改进，以提高碳基涂层的耐腐蚀性。
[0005]例如，中国专利文献CN 112582634 A公开了一种高耐蚀的燃料电池双极板的多层复合碳涂层，该涂层采用等离子辅助化学气相沉积方法制备。复合碳涂层使用非金属材料作为金属基材表面上的扩散渗透层，避免了因金属底层氧化造成的涂层导电性能下降现象，掺杂了片状石墨、金刚石或类金刚石碳颗粒的非晶碳涂层作为致密耐蚀层具有高自腐蚀电位，降低了高电位条件下发生严重腐蚀的可能性。中国专利文献CN 108060398 A公开了一种燃料电池复合纳米涂层及其镀制方法，该复合纳米涂层为镶嵌有金属碳化物的非晶碳涂层，提高涂层的致密性，避免涂层中的孔洞缺陷从而提高涂层的耐腐蚀性。
[0006]目前现有的涂层虽然能提高金属双极板的耐腐蚀性和导电性，但这些进行过表面改性的金属双极板在长期运行后会出现失效的现象，即使用寿命还有待提高。尤其是对于汽车用的燃料电池电堆在启动或停止阶段，会在阳极区域形成氢气\空气界面，导致高电位的产生，不利于金属双极板的防腐蚀，大大缩短了燃料电池的使用寿命。很遗憾的是，非晶碳涂层因为疏松的结构，不能抵抗高电位腐蚀。因此，需要对非晶碳涂层进行改进，进一步提高涂层的耐腐蚀性。

技术实现思路

[0007]本专利技术所要解决的技术问题是克服了现有技术中双极板的非晶碳涂层因为疏松的结构，不能抵抗高电位腐蚀，长期运行后失效的缺陷，提供一种改性碳基复合涂层及制备方法、双极板。
[0008]本专利技术通过以下技术方案解决上述技术问题。
[0009]本专利技术提供了一种改性碳基复合涂层，其包括依次叠置的金属基材、第一扩散层、金属种子层、第二扩散层、梯度过渡层、第三扩散层和掺杂非晶碳涂层；
[0010]其中，所述金属种子层的材质为过渡金属Ti、Cr、Nb和Cu的一种或多种；所述梯度过渡层的材质为过渡金属Ti、Cr、Nb、Zr、Mo和Ta的碳化物或氮化物；所述掺杂非晶碳涂层的材质为掺杂Cr、Ti、Zr、Mo和Ta中的一种或多种的氮化物颗粒的非晶碳。
[0011]本专利技术中，所述金属种子层的材质优选为过渡金属Ti。
[0012]本专利技术中，所述梯度过渡层的材质优选为过渡金属Ti碳化物(TiC)。
[0013]本专利技术中，所述掺杂非晶碳涂层的材质优选为掺杂Ti氮化物(TiN)颗粒的非晶碳。
[0014]本专利技术中，所述第一扩散层一般为所述改性碳基复合涂层的制备过程中，所述金属基材表面的粒子与所述金属种子层表面的粒子相互扩散形成的层。
[0015]本专利技术中，所述第二扩散层一般为所述改性碳基复合涂层的制备过程中，所述金属种子层表面的粒子与所述梯度过渡层表面的粒子相互扩散形成的层。
[0016]本专利技术中，所述第三扩散层一般为所述改性碳基复合涂层的制备过程中，所述梯度过渡层表面的粒子与所述掺杂非晶碳涂层的粒子相互扩散形成的层。
[0017]本专利技术中，所述金属种子层可用于降低界面的剪切应力，增加涂层与金属基材的结合力。所述梯度过渡层可用于提高涂层的耐腐蚀能力。所述掺杂非晶碳涂层可用于优化涂层的导电性能和耐腐蚀性能。
[0018]本专利技术中，所述金属种子层的厚度可为50
‑
200nm，例如100nm或150nm。
[0019]本专利技术中，所述梯度过渡层的厚度可为100
‑
300nm，例如150nm、200nm或250nm。
[0020]本专利技术中，所述掺杂非晶碳涂层的厚度可为100
‑
300nm，例如150nm、200nm或250nm。
[0021]本专利技术中，所述第一扩散层的厚度一般为1
‑
10nm，例如5nm。
[0022]本专利技术中，所述第二扩散层的厚度一般为1
‑
10nm，例如5nm。
[0023]本专利技术中，所述第三扩散层的厚度一般为1
‑
10nm，例如5nm。
[0024]本专利技术中，所述掺杂非晶碳涂层中，氮化物颗粒的占比优选为20
‑
45％，例如20％、25％、30％、35％、40％或45％，上述百分比为氮化物颗粒占掺杂非晶碳涂层的质量百分比。
[0025]一优选实施例中，所述掺杂非晶碳涂层中，氮化物颗粒的占比可为20％
‑
30％、25％
‑
35％、30％
‑
40％或35％
‑
45％。
[0026]本专利技术中，所述掺杂非晶碳涂层中，氮化物颗粒粒径优选为5
‑
60nm。
[0027]一优选实施例中，掺杂非晶碳涂层中，氮化物颗粒粒径可为5
‑
50nm、5
‑
55nm、5
‑
40nm或5
‑
60nm。
[0028]本专利技术还提供了一种所述改性碳基复合涂层的制备方法，其制备方法包括下述步骤：
[0029]S1在所述金属基材的一侧经一次沉积形成所述金属种子层；
[0030]S2在所述金属种子层的表面二次沉积形成所述梯度过渡层；
[0031]S3在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种改性碳基复合涂层，其特征在于，其包括依次叠置的金属基材、第一扩散层、金属种子层、第二扩散层、梯度过渡层、第三扩散层和掺杂非晶碳涂层；其中，所述金属种子层的材质为过渡金属Ti、Cr、Nb和Cu的一种或多种；所述梯度过渡层的材质为过渡金属Ti、Cr、Nb、Zr、Mo和Ta的碳化物或氮化物；所述掺杂非晶碳涂层的材质为掺杂Cr、Ti、Zr、Mo和Ta中的一种或多种的氮化物颗粒的非晶碳。2.如权利要求1所述的改性碳基复合涂层，其特征在于，所述改性碳基复合涂层满足下述条件
①‑③
中的一种或多种：
①
所述金属种子层的材质为过渡金属Ti；
②
所述梯度过渡层的材质为过渡金属Ti碳化物；和，
③
所述掺杂非晶碳涂层的材质为掺杂Ti氮化物颗粒的非晶碳。3.如权利要求1所述的改性碳基复合涂层，其特征在于，所述改性碳基复合涂层满足下述条件
①‑⑥
中的一种或多种：
①
所述金属种子层的厚度为50
‑
200nm，例如100nm或150nm；
②
所述梯度过渡层的厚度为100
‑
300nm，例如150nm、200nm或250nm；
③
所述掺杂非晶碳涂层的厚度为100
‑
300nm，例如150nm、200nm或250nm；
④
所述第一扩散层的厚度为1
‑
10nm，例如5nm；
⑤
所述第二扩散层的厚度为1
‑
10nm，例如5nm；
⑥
所述第三扩散层的厚度为1
‑
10nm，例如5nm。4.如权利要求1所述的改性碳基复合涂层，其特征在于，所述掺杂非晶碳涂层中，氮化物颗粒的占比为20
‑
45％，例如20％、25％、30％、35％、40％或45％，上述百分比为氮化物颗粒占掺杂非晶碳涂层的质量百分比；优选地，所述掺杂非晶碳涂层中，氮化物颗粒的占比为20％
‑
30％、25％
‑
35％、30％
‑
40％或35％
‑
45％；和/或，所述掺杂非晶碳涂层中，氮化物颗粒粒径为5
‑
60nm，例如5
‑
50nm、5
‑
55nm、5
‑
40nm或5
‑
60nm。5.一种如权利要求1
‑
4任一项所述改性碳基复合涂层的制备方法，其特征在于，其制备方法包括下述步骤：S1在所述金属基材的一侧经一次沉积形成所述金属种子层；S2在所述金属种子层的表面二次沉积形成所述梯度过渡层；S3在所述梯度过渡层的表面三次沉积形成所述掺杂非晶碳涂层；S4将完成三次镀层沉积的金属基材进行氮化处理，氮化处理之后位于所述金属基材和所述金属种子层之间形成所述第一扩散层；位于所述金属种子层和所述梯度过渡层之间形成所述第二扩散层；位于所述梯度过渡层和所述掺杂非晶碳涂层之间形成所述第三扩散层。6.如权利要求5所述改性碳基复合涂层的制备方法，其特征在于，所述制备方法满足下述条件
①‑⑥
中的一种或多种：
①
S1中，进行所述一次沉积前，先将所述基材清洗；
②
S1中，所述一次沉积的沉积方式采用真空多弧离子镀法；
③
S1中，所述一次沉积过程中，Ti多弧靶沉积电流为0.5
‑
12A，优选为...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨敏，陈福平，唐道远，汤全丰，万玲玉，
申请(专利权)人：上海电气集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：