[发明专利]一种Cr-Al-C系MAX相涂层的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种Cr‑Al‑C系MAX相涂层的制备方法及其应用。首先，利用电弧离子镀沉积，在基体表面沉积Cr‑C层，并且所述Cr‑C层厚度为0.5μm～5μm；然后，利用磁控溅射沉积，在Cr‑C层表面沉积Al层，得到Al\Cr‑C涂层；最后，进行热处理，得到具有(103)晶面择优取向的Cr‑Al‑C系MAX相涂层。该涂层兼具良好的电导性和耐蚀性，与现有技术相比，利用该方法制得的Cr‑Al‑C系MAX相涂层不仅提高了与基体之间的界面导电性，而且提高了耐腐蚀性，在苛刻环境中具有优异的导电耐腐蚀防护性能。

技术领域

本发明属于表面工程防护技术领域，具体涉及一种Cr-Al-C系MAX相涂层的制备方法及其应用。

背景技术

与传统过渡金属氮/碳化物不同，M_n+1AX_n相(MAX相)是一大类热力学稳定、具有密排六方结构的层状高性能陶瓷材料，其中M、A和X分别处于元素周期表的不同位置，其中，M代表前过渡金属，A代表IIIA或IVA主族元素，X代表C或N。MAX相层状之间依靠M原子和A原子之间弱的金属键结合。独特的原子间结合方式和晶体结构，使MAX相兼具金属和陶瓷的优异性能，例如良好的导电性、导热性、自愈合性、小的热膨胀系数、优异的热稳定性、抗氧化性能、耐酸碱腐蚀性等。

Cr₂AlC是MAX相中常见的化合物，属于六方晶系，空间群为P63/mmc，其晶体结构可以描述为由具有类似岩盐型结构的Cr₆C片层与紧密堆积的Cr族原子面在c方向上交替堆垛所组成。目前，Cr₂AlC涂层的制备多采用喷涂法和物理气相沉积为主，但是制得的Cr₂AlC涂层无择优取向，因此当该涂层处于酸性等苛刻条件下长期工作时容易形成Cr与Al的氧化物，导致导电与耐腐蚀性能降低。而涂层的电导率和耐蚀性是很多基体所需的涂层防护性能。

近几年，随着汽车技术革新的迫切需求，多国政府和公司致力于推动燃料电池汽车的发展。其中，质子交换膜燃料电池(PEMFCs)是在众多燃料电池中起步较晚的一种新型燃料电池，具有高效节能、绿色环保、高比能量、低温快速启动和高平稳运行的优点，在新能源汽车、固定/便携式电源方面迅速发展，并且已经开始广泛地应用于海洋探测、航空航天等领域。在PEMFCs中，双极板是分隔反应气体并通过流场将燃料反应气体导入燃料电池、收集并传导电流和支撑膜电极，同时还担负起整个电池系统的散热和排水功能的关键功能部件。传统石墨双极板虽具有高导电和高耐蚀性优势，但是存在加工成本高，体积大问题，制约了其使用效率。具有高电导率、高热导率、高机械强度、低冲压成本和低气体渗透性等优异性能的不锈钢金属板逐渐取代石墨成为双极板的主要材料。但是在燃料电池的高温及pH约2～3的酸性环境下，极板的溶解和腐蚀不可避免，特别是金属离子渗入质子交换膜内导致离子传输效率下降以及腐蚀产物会增加界面接触电阻，直接影响电池的输出功率和使用寿命。因此，提高不锈钢金属极板电导率和耐蚀性是PEMFCs领域需要攻克的关键技术之一。

采用表面涂层技术，在保持不锈钢金属极板优异力学性能，加工性强的基础上同时提高极板的电导率和耐蚀性，从而保证电池的长期有效运行。近年来，国内外众多科研团队制备了多种不同的耐蚀导电涂层，如贵金属涂层、金属碳化物涂层、导电聚合物复合涂层、非晶碳涂层等，均可以显著提高金属双极板的性能。然而，在PEMFCs长期服役过程中，涂层同时保持高耐蚀能力和低界面接触电阻仍存在较大挑战，极大影响着电池的电功率、稳定性和寿命。因此，研究并发展新型导电耐蚀涂层，进一步提高其在PEMFC环境中的稳定性和界面导电性，减小电池性能的衰减，对于推动PEMFC商业化开发尤为迫切和重要。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种Cr-Al-C系MAX相涂层的制备方法，利用该方法能够提高Cr-Al-C系MAX相涂层的电导性和耐蚀性。

为了实现上述技术目的，本发明人通过大量实验探索后发现，利用电弧离子镀沉积技术与磁控溅射沉积技术相结合的方法制备Cr-Al-C系MAX相涂层，具体过程如下：