一种可变形金属双极板耐蚀涂层及其制备方法

本发明属于材料表面涂层，具体涉及一种可变形金属双极板耐蚀涂层及其制备方法。背景技术：1、氢能作为一种储量丰富、热值高、能量密度大、来源多样的绿色能源，是未来能源体系中的重要组成部分。燃料电池是一种通过电化学反应方式直接将氢燃料的化学能转化为电能的能源转换装置，是氢能主要利用方式与传统的能源利用方式。2、质子交换膜氢燃料电池(pemfc)与其他燃料电池相比，具有工作温度较低、能够实现零污染、能源转化率高、启动速度快、结构简单、操作方便等特点。质子交换膜燃料电池的主要部件中，双极板占据了燃料电池的大部分重量和成本，因此延长双极板的使用寿命，降低双极板的生产成本对于提高燃料电池的使用率是很有必要的。3、目前在质子交换膜燃料电池中，金属双极板在酸性氟离子工作环境中的耐腐蚀性不足，在工作过程中因腐蚀产生金属离子、污染膜电极、腐蚀产生的金属表面钝化膜，均会增大双极板和气体扩散层之间的接触电阻，使得双极板的导电性降低。提高双极板耐蚀性的途径之一是在表面添加涂层，当前双极板的生产方式主要采用先冲压后涂层的方式，这种方式成本高且效率低，不利于批量化生产。而预涂层后冲压的生产方式能够很大程度降低生产成本，实现批量化连续生产，提高效率降低成本，但对涂层后的双极板进行冲压易导致涂层开裂，影响其耐蚀性。技术实现思路1、针对上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种可变形金属双极板耐蚀涂层及其制备方法，本发明通过共溅射的方法制备出ni-cu合金涂层，该涂层具备耐腐蚀和可变形的特点，经冲压变形后不会因开裂导致其保护作用降低，继而能够将其作为质子交换膜氢燃料电池双极板基底的保护涂层进行应用。2、为实现上述技术目的，本发明的技术方案如下：3、一种可变形金属双极板耐蚀涂层的制备方法，包括如下步骤：4、将金属cu靶、金属ni靶和双极板基底分别置于磁控溅射设备真空室内的靶位和样品台上；5、惰性气氛下磁控溅射ni靶，并在沉积过程中于双极板基底上施加负偏压形成离子轰击，得到金属ni过渡层；6、惰性气氛下，同时溅射cu靶和ni靶，并在沉积过程中于双极板基底上施加负偏压形成离子轰击，于金属ni过渡层上溅射沉积ni-cu合金涂层，ni-cu合金涂层为可变形金属双极板耐蚀涂层；7、ni-cu合金涂层中，ni元素的原子百分比为50-90％，cu元素的原子百分比为10-50％，二者的原子百分比之和为100％。8、优选的，ni-cu合金涂层制备的真空室气压为0.1～0.4pa，磁控溅射时双极板基底上施加的偏压为-10v～-100v，沉积时间为40～240min。9、优选的，在磁控溅射结束后，停止通入惰性气体，并保持真空状态至双极板基底温度≤60℃。10、优选的，金属ni过渡层制备的真空室气压为0.1～0.4pa，磁控溅射时双极板基底上施加的偏压为-100～-500v。11、优选的，金属ni过渡层沉积前，将真空室抽真空后通入惰性气体，并在双极板基底上施加负偏压，采用辉光溅射清洗双极板基底表面，去除双极板基底表面氧化层和杂质。12、优选的，待磁控溅射设备真空室内的气压≤5×10-3pa后，通入惰性气体，控制工作气压为0.1～0.4pa，并在双极板基底上施加-200v～-800v的偏压，使气体发生辉光放电，通过氩离子对双极板基底表面溅射清洗10-60min。13、优选的，双极板基底选自奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、钛合金、镍合金或铝合金。14、本发明还保护了上述制备方法制得的可变形金属双极板耐蚀涂层，可变形金属双极板耐蚀涂层中，ni元素的原子百分比为50-90％，cu元素的原子百分比为10-50％，二者的原子百分比之和为100％，cu靶和ni靶的纯度均不低于99.9％。15、优选的，可变形金属双极板耐蚀涂层在浓度为6×10-4mol/l的氟离子酸性腐蚀溶液中，腐蚀电流密度不超过4×10-6a/cm-2。16、本发明还保护了上述可变形金属双极板耐蚀涂层在制备质子交换膜氢燃料电池双极板保护涂层中的应用。17、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：18、1、本发明采用磁控溅射技术，在双极板基底上获得价格低廉、制备简单、变形性能好、不易开裂的ni-cu合金涂层，ni-cu合金涂层抑制了电解液中氟离子对双极板基底的腐蚀。19、2、本发明的涂层具有良好的可变形性，保证了在涂层后金属双极板基底的冲压成型性，且有效降低了双极板基底的生产成本。20、3、本发明公开了可变形金属双极板耐蚀涂层的制备方法，该制备方法通过直流磁控溅射工艺，获得耐腐蚀ni-cu合金涂层。在双极板基底和ni-cu合金涂层之间溅射沉积ni过渡层，使ni-cu合金涂层中沿深度方向ni原子和cu原子的成分梯度更加平缓，提高了ni-cu合金涂层与双极板基底之间的结合；与此同时，根据不同的耐腐蚀和变形能力选择了不同的沉积时间和各靶上的靶电流，获得了不同成分的耐蚀涂层。21、4、本发明中，附着了可变形金属双极板耐蚀涂层的双极板基底，其耐蚀性显著增强，具体表现在于含有氟离子的酸性环境中，附着了涂层的双极板基底表面相较于未附着涂层的奥氏体不锈钢双极板基底表面，腐蚀明显减少，耐腐蚀能力提高了5倍以上。技术特征：1.一种可变形金属双极板耐蚀涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：2.根据权利要求1所述的可变形金属双极板耐蚀涂层的制备方法，其特征在于，ni-cu合金涂层制备的磁控溅射设备真空室内，通入惰性气体后的气压为0.1～0.4pa，磁控溅射时双极板基底上施加的偏压为-10v～-100v，沉积时间为40～240min。3.根据权利要求2所述的可变形金属双极板耐蚀涂层的制备方法，其特征在于，在磁控溅射结束后，停止通入惰性气体，并保持真空状态至双极板基底温度≤60℃。4.根据权利要求1所述的可变形金属双极板耐蚀涂层的制备方法，其特征在于，金属ni过渡层制备的磁控溅射设备真空室内，通入惰性气体后的气压为0.1～0.4pa，磁控溅射时双极板基底上施加的偏压为-100～-500v。5.根据权利要求1所述的可变形金属双极板耐蚀涂层的制备方法，其特征在于，金属ni过渡层沉积前，将磁控溅射设备真空室抽真空后通入惰性气体，并在双极板基底上施加负偏压，采用辉光溅射清洗双极板基底表面。6.根据权利要求5所述的可变形金属双极板耐蚀涂层的制备方法，其特征在于，待磁控溅射设备真空室内的气压≤5×10-3pa后，通入惰性气体，控制工作气压为0.1～0.4pa，并在双极板基底上施加-200v～-800v的偏压，使气体发生辉光放电，通过氩离子对双极板基底表面溅射清洗10-60min。7.根据权利要求1所述的可变形金属双极板耐蚀涂层的制备方法，其特征在于，双极板基底选自奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、钛合金、镍合金或铝合金。8.一种权利要求1-7任一项所述的制备方法制得的可变形金属双极板耐蚀涂层，其特征在于，可变形金属双极板耐蚀涂层中，ni元素的原子百分比为50-90％，cu元素的原子百分比为10-50％，二者的原子百分比之和为100％。9.根据权利要求8所述的可变形金属双极板耐蚀涂层，其特征在于，可变形金属双极板耐蚀涂层在浓度为6×10-4mol/l的氟离子酸性腐蚀溶液中，腐蚀电流密度不超过4×10-6a/cm-2。10.一种权利要求8所述的可变形金属双极板耐蚀涂层在制备质子交换膜氢燃料电池双极板保护涂层中的应用。技术总结本发明属于材料表面涂层技术领域，具体涉及一种可变形金属双极板耐蚀涂层及其制备方法。可变形金属双极板耐蚀涂层为Ni‑Cu合金涂层，其中，Ni元素的原子百分比为50‑90％，Cu元素的原子百分比为10‑50％，二者的原子百分比之和为100％。本发明通过共溅射的方法制备出Ni‑Cu合金涂层，该涂层具备耐腐蚀和可变形的特点，经冲压变形后不会因开裂导致其保护作用降低，继而能够将其作为质子交换膜氢燃料电池双极板基底的保护涂层进行应用。技术研发人员：朱晓东,赵敏茹,宋忠孝,杨轶璇,付衡受保护的技术使用者：西安交通大学技术研发日：技术公布日：2024/8/16