[发明专利]一种用于金属极板的类金刚石复合涂层及其制备方法

说明书

本申请涉及一种类金刚石复合涂层及其制备方法，类金刚石复合涂层特征在于，所述类金刚石复合涂层包含：在所述金属极板上形成的第一层和第二层，其中所述第一层为未掺杂的类金刚石层，所述第二层是掺杂的类金刚石层；在所述金属极板与所述第一层之间的过渡层；和在所述第一层和所述第二层之间的梯度层；其中，所述过渡层使用包含有机硅氧化合物和含碳氢源的材料以薄膜沉积的方式制备，并且所述有机硅氧化合物的浓度从所述金属极板至所述第一层的方向上逐渐减小；其中，所述梯度层包含掺杂离子，所述掺杂离子的浓度在从所述第一层至所述第二层的方向上逐渐增加直至与所述第二层中掺杂离子的浓度相同。

技术领域

本申请涉及半导体真空镀膜技术，尤其涉及一种类金刚石复合涂层以及通过薄膜沉积工艺制备该类金刚石复合涂层的方法。

背景技术

类金刚石薄膜是一种含有sp²键和sp³键的亚稳态非晶碳薄膜，具有与金刚石类似的特性，因而广泛应用于有涂覆涂层需求的各类零件上。

双极板是燃料电池或氧化还原液流电池的重要部件之一，双极板通常位于电池单元正极与另一电池单元负极的界面，以用于(1)构成电池单元骨架以支撑电池单元；(2)构成导电体将电池单元串联或并联以组成电池组；(3)通过流道向电极提供反应材料(反应气体或电解液)；(4)协调水与热的管理，防止冷却介质或反应材料外漏。

因此，双极板需要具有高电导率、足够的机械强度、良好的热导、气体透过率低、抗腐蚀且能在电池工作环境中化学稳定相当长的时间。现有双极板的材料分为石墨材料、复合材料、金属材料三种，其中金属材料具备重量轻、体积小、能够在有限的空间集成更大的功率等特征，而在某些空间有限制的领域具有应用潜力，而且金属双极板可以使燃料电池具有极好的低温特性，实现快速启动等优点。

现有技术中，通常双极板的涂层材料主要包括石墨、导电高分子、金属氮化物、金属碳化物、贵金属等。目前可用的贵金属涂层，如金、银、铂等，尽管它们可以使金属双极板获得良好的性能，但是成本高昂，并不适合在商业上推广使用。有些涂层材料，例如TiN(接触电阻为30mΩ·cm²)、Ti₂N-TiN(接触电阻为31mΩ·cm²)、混合石墨碳(接触电阻为50mΩ·cm²)等，这些涂层材料虽然在一定程度上部分满足要求，但仍无法满足对双极板接触电阻的性能要求，涂层的长期的稳定性有待改善，并且难以实现耐腐蚀性、导电性、成本低的综合改善。

在现有工艺的制备过程中会有颗粒沉积，导致涂层中存在针孔，使得金属极板基材在燃料电池运行中通过涂层的针孔而发生电化学腐蚀。另外，由于涂层和金属基材热膨胀系数不同，工况循环时发生的热循环会导致微裂纹，特别是目前比较有潜力的金属双极板表面金属基涂层和碳基涂层以及制备方式存在一些针孔缺陷，短时间内可以达到耐蚀导电的目的，然而在长期(超过10000小时)往复启动、停止和冷启动等严苛服役条件下，电解质会穿过涂层对金属基体产生腐蚀，从而导致涂层失效。

因此，存在对极板的涂层材料与制备方式进行进一步改善需求。

发明内容

本申请提供一种用于金属极板的类金刚石复合涂层以及低温工艺制备方法以试图在解决至少一个存在于相关领域中的问题。

本申请提供一种用于金属极板的类金刚石复合涂层，其特征在于，所述类金刚石复合涂层包含：

在所述金属极板上形成的第一层和第二层，其中所述第一层为未掺杂的类金刚石层，所述第二层是掺杂的类金刚石层；

在所述金属极板与所述第一层之间的过渡层；和

在所述第一层和所述第二层之间的梯度层；

其中，所述过渡层使用包含有机硅氧化合物和含碳氢源的材料以薄膜沉积的方式制备，并且所述有机硅氧化合物的浓度从所述金属极板至所述第一层的方向上逐渐减小；