[发明专利]一种Cr掺杂的MAX相涂层的其制备方法及双极板和燃料电池

说明书

本发明公开了一种Cr掺杂的MAX相涂层的制备方法及双极板和燃料电池，包括提供基材并对基材进行预处理；在预处理后的基材表面沉积形成Cr掺杂的MAX相涂层得到Cr掺杂的MAX相涂层；对沉积于基材上的Cr掺杂的MAX相涂层进行电化学处理。与现有的制备工艺相比，本发明制备得到的MAX相涂层在腐蚀环境下具有一定的自愈合能力，能够降低高温退火过程中在MAX相涂层上造成的宏观裂纹对涂层致密性的影响，提高MAX相涂层的导电性能、机械强度以及抗腐蚀性能。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种Cr掺杂的MAX相涂层的制备方法及双极板和燃料电池。

背景技术

燃料电池的双极板作为燃料电池的核心部件之一，主要承担起构件流场结构以分配反应物和导电两大作用，因此，在燃料电池的腐蚀溶液环境下，要求双极板需拥有优秀的导电性能、耐腐蚀性以及一定的机械强度。目前，金属双极板是应用前景最广泛的燃料电池双极板之一，常用的材料是铝、钛和不锈钢等，通常情况下，为解决金属双极板在腐蚀环境下导电性能及腐蚀性能最有效的办法是在金属双极板的表面镀上涂层。由于MAX相兼具陶瓷的良好的耐腐蚀性和机械强度以及金属的优秀的导电性，是作为金属双极板涂层材料的不二之选。

现有MAX相涂层的大多通过PVD溅射沉积M-A-X层，再真空热退火处理后形成MAX相，但由于高温退火后由于MAX相涂层的晶粒重结晶、晶粒长大以及内应力增大等原因，导致MAX向涂层宏观裂纹的产生，并最终导致MAX相涂层各项物理性能及防腐蚀性能变差。同时，由于真空热退火处理往往使用高热处理炉等设备，其处理温度高、操作繁琐，在退火过程中需反复进料与抽真空，耗时耗力，使得制备效率低；并且，现有的方法在沉积M-A-X层时通常直接使用MAX相靶材，价格昂贵，不利于MAX相涂层的批量化生产。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种Cr掺杂的MAX相涂层的制备方法及双极板和燃料电池，以解决现有技术中MAX层出现宏观裂纹、致密性差、制备效率低以及不利于批量化生产的问题。

为达到上述目的，本发明提供的第一方面提供一种Cr掺杂的MAX相涂层的制备方法，包括以下步骤：

提供基材并对基材进行预处理；

在预处理后的基材表面沉积形成Cr掺杂的MAX相涂层得到Cr掺杂的MAX相涂层。

进一步的，在所述在预处理后的基材表面沉积形成Cr掺杂的MAX相涂层的步骤中，具体包括以下子步骤：

利用Cr掺杂的过渡金属元素M形成的M-Cr合金靶材和主族元素A形成的主族元素靶材在所述M金属合金层外溅射形成Cr掺杂的M-A过渡层；

利用C/N元素形成的X元素靶材在所述Cr掺杂的M-A过渡层外溅射形成Cr掺杂的M-A-X复合层。

进一步的，在所述利用Cr掺杂的过渡金属元素M形成的合金靶材和主族元素A形成的主族元素靶材在所述M金属合金层外溅射形成Cr掺杂的M-A过渡层的步骤中，采用直流磁控溅射工艺共溅射形成所述Cr掺杂的M-A过渡层，且在溅射时，所述M-Cr合金靶材的溅射功率P_M-Cr与主族元素靶材的溅射功率P_A的比例为：2:1＜P_M-Cr:P_A＜3:1，所述Cr掺杂的M-A过渡层的沉积时间为0.2～1h，所述Cr掺杂的M-A过渡层的沉积厚度为50～300nm。

进一步的，在所述利用C/N元素形成的X元素靶材在所述Cr掺杂的M-A过渡层外溅射形成Cr掺杂的M-A-X复合层的步骤中，所述Cr掺杂的M-A-X复合层的沉积时间为0.5～2h，所述Cr掺杂的M-A-X复合层的沉积厚度为50～300nm；形成所述Cr掺杂的M-A-X复合层的具体方法为：