[发明专利]抗腐蚀导电膜及其脉冲偏压交替磁控溅射沉积方法和应用

说明书

本发明涉及一种抗腐蚀导电膜及其脉冲偏压交替磁控溅射沉积方法和应用，抗腐蚀导电膜通过采用高低脉冲偏压交替的方法在基底表面依次沉积形成抗腐蚀保护层、应力过渡层和导电层得到。与现有技术相比，本发明通过调节高低偏压大小、沉积时间比例和交替次数，控制纳米多层抗腐蚀导电薄膜往导电性高趋势生长，这种偏压交替沉积策略优势在于一方面制备的纳米多层交替的涂层结构抑制了柱状结构的生长，避免形成腐蚀通道，提高了抗腐蚀性能，另一方面通过偏压调制改变了涂层微观组织结构，提高了导电性，还避免了电偶腐蚀现象，因而具有更优越的抗腐蚀性能、导电性能等综合性能，在燃料电池金属极板、输电线路接地电网设备等领域中具有巨大的应用前景。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种抗腐蚀导电膜及其脉冲偏压交替磁控溅射沉积方法和应用。

背景技术

燃料电池是一种直接将化学能转化为电能的清洁、高效的能量转换装置。由于其环境友好、能量转化效率高、能量密度高等特性，在越来越多的领域受到重视，例如新能源汽车、无人机、固定电站、微型电池等。

金属极板是质子交换膜燃料电池一个重要的部件，目前最广泛采用的材料是不锈钢。在燃料电池潮湿、酸性、高温的工作条件下，需要对不锈钢金属极板进行表面改性，以保证金属极板具有较好的抗腐蚀性和导电性。最常见的是采用物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)在金属极板表面沉积一定厚度的耐蚀导电性薄膜材料，例如无定形碳等。磁控溅射即属于PVD方法。然而，PVD方法在制备薄膜材料的过程中易出现贯通的孔洞、柱状结构等缺陷。这些缺陷的产生在薄膜材料使用过程中易导致机械磨损脱落、电化学腐蚀点蚀、剥落等多种失效方式。因而有必要针对性地避免柱状结构这一类缺陷。

中国专利申请号为201310116099.7的专利中提出一种“掺杂型多层梯度镀层”。该方法通过依次沉积Cr过渡层、掺杂的CrN层、掺杂的铬氮碳过渡层、掺杂的类石墨碳镀层，得到一种针对燃料电池不锈钢金属双极板的涂层。但是该方法得到的多层涂层采用的是多种元素依次沉积并掺杂其他金属元素，容易导致电偶腐蚀现象。

中国专利申请号为200910231657.8的专利中采用的是在基板表面镀镍层以及镍铜磷双镀层。该方法同样采取了多种元素复合制备涂层的方法，故容易导致电偶腐蚀现象，同时该制备方法对环境有污染。

“Ti/(Ti,Cr)N/CrN multilayer coated 316L stainless steel by arc ionplating as bipolar plates for proton exchange membrane fuel cells”一文中指出采用离子镀的方法在316L不锈钢基底上制备了Ti/(Ti,Cr)N/CrN多层涂层，并对其导电性和抗腐蚀性进行了评价。但该论文没有对燃料电池电堆进行耐久性测试。此外，该方法制备的涂层经过恒电位极化之后表面形貌发生显著变化。这有可能是由于内应力过大以及电偶腐蚀现象综合导致的。

总之，虽然上述的专利、论文专著等针对抗腐蚀导电薄膜的制备方法提出了一些改善抗腐蚀性和导电性的薄膜制备方法，但是上述方法依然存在一些缺点，主要是所制备的多层涂层容易出现柱状结构、孔洞、电偶腐蚀、内应力大等问题。因此，有必要针对目前现有的问题进行改善。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种抗腐蚀导电膜及其脉冲偏压交替磁控溅射沉积方法和应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种抗腐蚀导电膜的脉冲偏压交替磁控溅射沉积方法，分别采用高低脉冲偏压交替的方法在基底表面依次沉积形成抗腐蚀保护层、应力过渡层和导电层。