[发明专利]一种钛合金表面微纳颗粒复合导电增强结构及其制备方法

说明书

本发明涉及一种钛合金表面微纳颗粒复合导电增强结构及其制备方法，由微米级颗粒、纳米级颗粒和钛合金基体三类材料组成，所述微米级颗粒嵌入在钛合金基体表面，所述纳米级颗粒分散在钛合金基体表层。制备方法包括以下步骤：对钛合金基材I进行酸洗，对基材I压印预制微米级凹坑，获得钛合金基材II；对基材II进行酸蚀处理，获得表面具有纳米孔洞的基材III；超声振动使微米级颗粒IV落入基材III凹坑中；将纳米颗粒V在气相或液相中沉积到基材III表面；利用热辊压的方式对微纳米颗粒IV、V和基材II进行热扩散连接，获得表面复合微纳结构的基材VI。与现有技术相比，本发明解决了燃料电池金属极板材料耐蚀性能与导电性能的矛盾。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种钛合金表面微纳颗粒复合导电增强结构及其制备方法。

背景技术

双极板是一种典型的燃料电池组成构件，目前金属双极板由于成形性良好、适用于批量制造等特点，被广泛应用于燃料电池中。

双极板的导电性能和耐蚀性能均会影响燃料电池性能，但在现有的金属双极板产品中，常用金属材料的导电性能和耐蚀性能不可兼得，该因素制约了产品综合性能的提高。例如，不锈钢极板具有良好的耐蚀性能，但导电性能较差；钛合金极板具有良好的导电性，但其表面极易形成氧化层，虽然具有良好的耐腐蚀性，但导电性能同样明显降低。

另一方面，双极板表面层作为一种新的极板结构，近年来得到日益广泛的关注。现有研究表明，碳素、Ag、Au等具有良好的耐蚀性能和导电性能。在金属极板良好成形性的基础上，将碳素、Ag、Au等结合到金属极板表层，可以显著提高极板产品的耐蚀性能和导电性能，适用于极板的大规模批量制造。

在钛合金基材表面通过预压印得到凹坑，并通过酸蚀处理在表面预制纳米级孔洞，将微米级颗粒嵌入凹坑中，纳米级颗粒填入纳米孔洞，通过加压热扩散将颗粒与基体进行连接，形成大小颗粒共同作用的导电结构，为极板提供从表面到机体基体的导电通路，从而避免由于表层钛的氧化而导致的导电性下降，同时保证极板基材的良好成形性，避免由于变形不协调导致的开裂及脱附问题。但该方面研究仍未见报道。

对现有文献检索发现，中国专利公开号为：CN109735869A，名称为：一种耐蚀导电合金膜层及其制备方法和应用，该技术包括：金属基底和耐蚀导电表面膜层。金属基底为不锈钢，膜层材料由钛、铌组成。该技术的缺点是，靶材纯度要求严格，生产过程采用磁控溅射，成本高。

又经文献检索发现，中国专利公开号为：CN111244493A，名称为：一种质子交换膜燃料电池薄钛双极板的表面改性方法，该技术包括：钛基底以及表面涂层材料。涂层部分是通过电弧离子镀法获得的铌、铬、锆、钼等金属层。该技术的缺点是，若在极板成形之后镀膜效率低，不适合大规模快速生产；在极板成形之前镀膜，存在表层金属与基体金属变形不协调问题。

再经文献检索发现，中国专利公开号为：CN110129727A，名称为：用于燃料电池金属双极板的预涂镀金属卷带的制备方法，该技术包括：内部金属基带、中间过渡镀层以及外层石墨化镀层。金属基带为不锈钢或镍基合金，过渡镀层与石墨化镀层均采用物理气相沉积方法形成。该技术的缺点是，受限于涂层为连续层状石墨结构，在冲压过程中易出现涂层开裂或涂层与基体的脱附现象，影响最终产品性能。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种兼顾导电性和耐蚀性的钛合金表面微纳颗粒复合导电增强结构及其制备方法，可满足大规模快速生产的需求。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种钛合金表面微纳颗粒复合导电增强结构，该导电增强结构由微米级颗粒、纳米级颗粒和钛合金基体三类材料组成，所述微米级颗粒嵌入在钛合金基体表面，所述纳米级颗粒分散在钛合金基体表层。

进一步地，所述的微米级颗粒粒径在5～20μm，纳米级颗粒粒径在10～500nm，钛合金基体原始基材厚度在0.1～1mm。