[发明专利]一种复合多层耐蚀薄膜及其应用

说明书

本发明公开了一种复合多层耐蚀薄膜及其应用。从下至上包括金属粘附层、金属抗蚀层、导电陶瓷非晶层、导电陶瓷结晶层、碳覆盖层；金属粘附层和金属抗蚀层的成分不完全相同。本发明为有效地结合金属导电性良好和导电陶瓷耐蚀持久性更好的优点，引入了耐蚀金属和导电陶瓷的两种材料。为达到这种复合效果，还引入金属粘附层实现了耐蚀金属的镀膜生长，通过引入导电陶瓷非晶层提高了其上一层的导电陶瓷结晶层的结晶性，通过碳覆盖层掩埋了多晶陶瓷的晶界间隙，实现了良好致密性，由此构造了兼顾导电性和抗蚀性能的多层薄膜结构，应用范围广泛，对质子交换膜燃料电池的研究和发展有着积极的促进意义。

技术领域

本发明涉及金属耐蚀领域，具体涉及一种复合多层耐蚀薄膜及其应用。

背景技术

双极板是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的重要组成部件之一，金属材料由于导电率高、价格低廉、气密性良好、制备工艺成熟、易于实现工业化生产等优点，与传统石墨材质相比，金属双极板更具有商业竞争力。但金属材质易受腐蚀，在双极板表面形成金属离子污染，生成的氧化物薄膜会导致接触电阻升高。因此，单纯使用金属或合金材料作为并不能达到较好的抗蚀效果。对比之下，具有强共价键的特性的导电陶瓷具有高熔点、高硬度、热稳定性好的特点，因此理想的导电陶瓷能够保证双极板的长久稳定运行，但目前技术条件下，所获得的导电陶瓷晶体为多晶形态，致密度不高，晶界往往是形成腐蚀通道的地方，未能充分保护金属双极板。因此，如何将耐蚀金属和导电陶瓷耐蚀层材料设计组合，并加以恰当的抗蚀薄膜结构优化，是获得兼顾导电性良好、耐蚀性能优异的薄膜的关键技术，也是金属双极板在氢燃料电池得以应用的关键所在。

发明内容

有鉴于上述背景技术中存在的几个技术问题，本专利提出多层复合结构，将耐蚀金属和导电陶瓷的优点结合起来，形成一种耐蚀性能好且长久稳定的抗蚀薄膜结构，具体采用以下技术方案实现：

一种复合多层耐蚀薄膜，从下至上包括金属粘附层、金属抗蚀层、导电陶瓷非晶层、导电陶瓷结晶层、碳覆盖层；所述金属粘附层和所述金属抗蚀层的成分不相同。该薄膜可应用在金属双极板等金属基片上，金属基片与金属粘附层直接接触，金属基片至少可以为不锈钢、铜和铝。

优选地，所述金属粘附层为钛、铬、铜、镍中的一种或一种以上的合金。

优选地，所述金属抗蚀层为铌、钽、铬、镍、钼中的一种或一种以上的合金。

优选地，所述导电陶瓷非晶层和所述导电陶瓷结晶层是由同种材料分别形成的非晶层和结晶层，所述材料选自三元导电陶瓷或二元导电陶瓷，三元导电陶瓷包括MAX、MNX和MXY，二元导电陶瓷为MX，M和N分别为钪、钛、钒、铬、锆、铌、钼、铪和钽元素中的一种，M和N不相同；A为铝、硅、磷、硫、镓、锗、砷、镉、铟、锡、铊、铅元素中的一种；X和Y分别为碳或氮，X和Y不相同。

优选地，所述金属粘附层的厚度为50nm～1μm，所述金属抗蚀层的厚度为100nm～1μm；所述导电陶瓷非晶层的厚度为10nm～100nm；所述导电陶瓷结晶层的厚度为500nm～10μm；所述碳覆盖层的厚度为100nm～1μm。

上述的薄膜由下至上的逐层可通过多弧离子镀、电子束蒸发、磁控溅射和热蒸发这些制备方法中的一种分别镀膜而成。制备过程中，所述金属粘附层的生长温度为25～500℃；所述金属抗蚀层的生长温度为25～500℃；所述导电陶瓷非晶层的生长温度为25～100℃；所述导电陶瓷结晶层的生长温度为300～1000℃；所述碳覆盖层的生长温度为25～500℃。