[发明专利]一种表面改性的20Cr钢双极板材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种表面改性的20Cr钢双极板材料及其制备方法。本发明以20Cr钢为基体，对基体进行研磨抛光前处理，然后对基体进行离子渗氮、化学镀镍、PVD技术沉积氮化物涂层等一系列方法制备20Cr钢/渗氮/镀镍/CrN或CrMoN的复合多层膜。在模拟的PEMFC环境下，表面改性的20Cr钢双极板材料耐腐蚀性能及表面接触电阻性能满足美国DOE 2020标准，同时薄膜和基体的结合力大于45N。采用本发明方法，可以用普通碳钢薄板替代316L不锈钢材料，降低双极板生产成本。

(一)技术领域

本发明涉及一种表面改性的20Cr钢双极板材料及其制备方法。

(二)背景技术

当今世界，能源问题与环境问题已经成为全球所面临的共同难题，地球上的化石能源有限，而且化石能源燃烧排放的有害气体，不仅会造成温室效应，还会造成空气污染，酸雨以及臭氧层空洞等环境问题。因此，寻找一种新的可持续再生的新型清洁能源来代替传统化石能源是迫在眉睫。

燃料电池是一种把化学能直接转化为电能的新能源装置。它具有不受卡诺循环影响，能量转化率高，污染小等特点。因此被众多研究者认为是21世纪首选的清洁，高效的能源技术。燃料电池按照其采用的电解质可分为：碱性燃料电池，磷酸型燃料电池，质子交换膜燃料电池，熔融碳酸盐型燃料电池以及固体燃料电池，其中质子交换膜燃料电池因为其工作温度低等优点，是目前研究与应用最大的一类燃料电池。

双极板是质子交换膜燃料电池中最主要的一个部件，它不仅占了整个燃料电池80％的重量和几乎全部的体积，而且占了整个燃料电池堆45％的成本。因此双极板的好坏与燃料电池的效率及应用密切相关。优异的双极板应具有极好的阻气性和导电性、良好的机械性能、优异的耐腐蚀性能和低成本。石墨具有优异的导电性和化学惰性，因此过去一直用石墨材料作为双极板材料，但是石墨的易碎、透气性以及差的机械加工性能使质子交换膜燃料电池质量很大并且成本高，阻碍了其进一步的商业化应用。20Cr低碳钢合金具有强度低、硬度、塑性、韧性好等优良的力学性能，易于加工，相对不锈钢成本更低。但是在燃料电池环境下，低碳钢表面会腐蚀形成钝化膜，使得双极板和气体扩散膜之间的接触电阻增加，影响导电率，降低燃料电池堆的工作效率。所以为了提高双极板的耐蚀性和导电性，通过表面改性技术在20Cr钢表面沉积保护性涂层是很有必要的。

(三)发明内容

本发明的目的是提供一种具有优异电导率和耐蚀性的20Cr钢双极板材料及其制备方法。

本发明采用的技术方案是：

一种表面改性的20Cr钢双极板材料，由如下方法制备获得：

(1)以20Cr钢为基体，先进行研磨抛光前处理，再采用气体渗氮工艺对抛光后的20Cr钢基体进行渗氮处理，以提高基体硬度、耐磨性和耐蚀性等；

(2)利用化学镀镍工艺在渗氮后的20Cr钢基体表面镀上厚度20～30μm的镍磷层，镀镍完成后清洗去除表面油污；对镀镍后的20Cr钢进行超声清洗，在丙酮，无水乙醇，去离子水中分别超声15min，去除表面油污，以提高镀膜成功率。清洗之后，取出试样，并在无尘环境下干燥并保存。

(3)利用闭合场非平衡磁控溅射离子镀系统在镍磷层表面沉积一层CrMoN三元氮化物涂层：将镀镍后的20Cr钢基体放置在腔体中固定，抽真空，以氩气为保护气体、氮气为反应气体，以两块高纯Cr靶(纯度99.999％)和两块高纯Mo靶(纯度99.999％)作为溅射源，运行镀膜工艺，首先Cr靶和Mo靶都施加0.3A的电流、对20Cr钢进行清洗；然后提高Cr靶电流至4～5A，沉积5～15min得到一层Cr的过渡层，接着通入氮气作为反应气体，沉积10～15min得到CrN膜；再将Mo靶电流从0.3A提升至2～6A沉积15～20min，得到CrMoN梯度膜，最后稳定Mo靶电流在2～6A沉积70～80min，得到CrMoN稳定膜涂层，即得渗氮/Ni-P/CrMoN复合膜表面改性的20Cr钢双极板材料。