本發(fā)明屬于電池，尤其涉及一種含耐腐蝕涂層的鈦基材及其制備方法。
背景技術(shù)：
1、在燃料電池或電解槽中，極板是不可或缺的重要組成部分，雙極板約占總成本的48％，其材質(zhì)已從石墨發(fā)展為不銹鋼和鈦。雖然石墨具備優(yōu)異的導(dǎo)電性和耐蝕性，但其脆性和復(fù)雜的溝道處理限制了實際應(yīng)用。不銹鋼由于優(yōu)異的機械性能、延展性和導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，具有替代石墨的潛力。然而，不銹鋼的化學(xué)穩(wěn)定性差，不能直接在燃料電池或電解槽中應(yīng)用，需要引入高耐腐蝕和導(dǎo)電涂層(如c、氮化鈦、ti/tin、au/tin、tin/c和(ti、zr)n等)，且其結(jié)合力差的問題有待解決。與不銹鋼相比，ti表現(xiàn)出優(yōu)越的耐腐蝕性，但在高氧化環(huán)境中，鈦表面形成半導(dǎo)體二氧化鈦，電導(dǎo)率低，直接影響了功率成本和導(dǎo)熱系數(shù)，在燃料電池工況下顯著增加歐姆極化，在電解槽應(yīng)用中會導(dǎo)致工作電壓隨著電流的增加而顯著增加。
2、為了使鈦板在耐蝕性和導(dǎo)電性兩方面取得平衡，應(yīng)用表面涂層是常用的方法。目前，已經(jīng)有關(guān)于碳化物、氮化物、氧化物、貴金屬和金屬的碳基涂層的研究報道。碳化物、氮化物、碳基涂層最大的缺點是與基底的附著力差。貴重金屬涂層由于成本高，實用性小。具有高導(dǎo)電性、耐腐蝕性和耐氧化性的tino2n-1對金屬雙極板具有很大的保護潛力，已被證明在提高表面導(dǎo)電導(dǎo)率和提高耐腐蝕性方面是有效的。然而，大多數(shù)研究人員以tino2n-1顆粒為原料，通過磁控濺射、等離子噴涂等pvd方法獲得tino2n-1涂層，其成本較高，不適合大規(guī)模批量生產(chǎn)，并且得到的tino2n-1涂層會有微觀缺陷，容易發(fā)生局部腐蝕。通過cvd方法可以獲得緊湊的涂層，但基底在制備過程中需要長時間承受高溫，易產(chǎn)生機械應(yīng)力。傳統(tǒng)熱處理氧化還原法受鈦粉/氧化鈦比例、溫度時間等多因素影響，易形成各種亞氧化鈦雜相，易發(fā)生局部氧化降低導(dǎo)電性，同時由于熱處理時間過長，形成的tino2n-1晶粒大小為幾百納米，并具有孿晶，在氧化層內(nèi)部和氧化物與ti金屬的界面處存在由于元素ti向外擴散形成的kirkendall空洞，這些缺陷降低了極板的耐久性。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本發(fā)明實施例提供一種含耐腐蝕涂層的鈦基材及其制備方法，旨在解決傳統(tǒng)制造工藝過程中，tino2n-1涂層產(chǎn)生的顆粒大，局部缺陷多，長時間受熱內(nèi)部機械應(yīng)力大等問題。
2、為實現(xiàn)上述目的，一方面，本發(fā)明實施例提供一種含耐腐蝕涂層的鈦基材的制備方法，包括如下步驟：
3、s01、將鈦基材的表面進行預(yù)處理，得到預(yù)處理鈦基材；
4、s02、通過高溫?zé)釠_擊對所述預(yù)處理鈦基材進行表面氧化，得到氧化鈦基材，所述氧化鈦基材的表面形成有氧化鈦涂層；
5、s03、將所述氧化鈦基材進行還原，得到含耐腐蝕涂層的鈦基材；所述耐腐蝕涂層為tino2n-1涂層，n為1、2、3、4或5中的至少一種。
6、作為優(yōu)選的實施方式，步驟s01中，
7、所述預(yù)處理包括如下步驟：采用砂紙對所述鈦基材進行拋光處理，得到拋光鈦基材；將所述拋光鈦基材進行退火處理后洗滌，干燥，得到預(yù)處理鈦基材。
8、優(yōu)選的，所述退火處理在惰性氣體氛圍或真空條件中進行，所述退火處理的溫度為873k～1273k，所述退火處理的時間≤10min。
9、優(yōu)選的，所述洗滌通過如下方法進行：先采用酸進行清洗，然后依次采用純水和乙醇進行清洗。
10、所述酸優(yōu)選為氫氟酸、硝酸或硫酸中的至少一種。通過酸洗滌，能夠去除鈦基材表面的雜質(zhì)。
11、所述酸的清洗時間≤10min。
12、作為優(yōu)選的實施方式，步驟s02中，
13、優(yōu)選的，所述高溫?zé)釠_擊的升溫速度為103k/s～105k/s，升溫時間為15ms～800ms；所述高溫?zé)釠_擊的峰值溫度為973k～1473k。
14、優(yōu)選的，所述高溫?zé)釠_擊通過電焦耳加熱(即焦耳熱閃蒸技術(shù))、微波加熱、熱輻射加熱、等離子體加熱或激光加熱實現(xiàn)，優(yōu)選通過焦耳熱閃蒸技術(shù)實現(xiàn)。
15、優(yōu)選的，所述高溫?zé)釠_擊包括如下步驟：將所述預(yù)處理鈦基材連接至導(dǎo)電銅片上，接通電源進行高溫?zé)釠_擊20ms～800ms。
16、優(yōu)選的，所述電源的電流為0a～20a，所述電源的電壓為40v～80v。
17、優(yōu)選的，所述氧化鈦涂層的厚度為100nm。
18、作為優(yōu)選的實施方式，步驟s03中，
19、優(yōu)選的，所述還原通過如下方法實現(xiàn)：在氧氣氛圍下，通過高溫?zé)釠_擊對所述氧化鈦基材進行還原；所述高溫?zé)釠_擊的峰值溫度為973k～1473k；所述還原的時間為20ms～800ms。
20、優(yōu)選的，所述氧氣氛圍的氧分壓為1.0*10-4atm～1.0*10-10atm。
21、優(yōu)選的，所述高溫?zé)釠_擊包括如下步驟：將所述氧化鈦基材連接至導(dǎo)電銅片上，接通電源進行高溫?zé)釠_擊20ms～800ms。
22、優(yōu)選的，所述電源的電流為0a～20a，所述電源的電壓為40v～80v。
23、優(yōu)選的，所述還原通過如下方法實現(xiàn)：在氫氣氛圍下，通過高溫?zé)釠_擊對所述氧化鈦基材加熱至773k～1273k。
24、優(yōu)選的，所述高溫?zé)釠_擊通過電焦耳加熱、微波加熱、熱輻射加熱、等離子體加熱或激光加熱實現(xiàn)，優(yōu)選通過電磁激光輻射加熱20ms～800ms實現(xiàn)。
25、優(yōu)選的，所述耐腐蝕涂層的厚度為30nm～70nm。
26、另一方面，本發(fā)明實施例還提供一種含耐腐蝕涂層的鈦基材，所述含耐腐蝕涂層的鈦基材由所述制備方法制備得到。
27、本申請通過高溫?zé)釠_擊對鈦基材進行氧化和還原處理，使得鈦基材表面可以形成高導(dǎo)電性、高耐腐蝕性、耐氧化性的tino2n-1(n為1、2、3、4或5中的至少一種)涂層。本申請通過快速升溫，能夠有效減少熱處理時間，構(gòu)建了非平衡高溫條件，實現(xiàn)了動力學(xué)控制過程，縮短了原子的擴散時間和擴散距離，從而能夠限制tino2n-1粒徑長大、控制氧化層的厚度，進而減少了界面空洞等缺陷，在保證涂層高耐蝕性的同時提高了涂層的導(dǎo)電性，有效減小了涂層的接觸電阻。
28、通過本申請方法制備得到的含耐腐蝕涂層的鈦基材，其耐腐蝕涂層含有導(dǎo)電顆粒tino2n-1，tino2n-1顆粒小，使得涂層致密均勻，無明顯的局部缺陷，可在燃料電池或電解槽極板中進行應(yīng)用，能夠解決鈦作為極板應(yīng)用過程中導(dǎo)電性下降、導(dǎo)熱性下降的問題。本申請制備方法用時短，能夠避免基材長時間受熱產(chǎn)生機械應(yīng)力，制備成本較低，可以進行大規(guī)模應(yīng)用。
1.一種含耐腐蝕涂層的鈦基材的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含耐腐蝕涂層的鈦基材的制備方法，其特征在于，步驟s01中，所述預(yù)處理包括如下步驟：采用砂紙對所述鈦基材進行拋光處理，得到拋光鈦基材；將所述拋光鈦基材進行退火處理后洗滌，干燥，得到預(yù)處理鈦基材。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的含耐腐蝕涂層的鈦基材的制備方法，其特征在于，所述退火處理在惰性氣體氛圍或真空條件中進行，所述退火處理的溫度為873k～1273k，所述退火處理的時間≤10min；
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含耐腐蝕涂層的鈦基材的制備方法，其特征在于，步驟s02中，所述高溫?zé)釠_擊的升溫速度為103k/s～105k/s，升溫時間為15ms～800ms；所述高溫?zé)釠_擊的峰值溫度為973k～1473k。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含耐腐蝕涂層的鈦基材的制備方法，其特征在于，步驟s02中，所述高溫?zé)釠_擊通過電焦耳加熱、微波加熱、熱輻射加熱、等離子體加熱或激光加熱實現(xiàn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含耐腐蝕涂層的鈦基材的制備方法，其特征在于，步驟s02中，所述高溫?zé)釠_擊包括如下步驟：將所述預(yù)處理鈦基材連接至導(dǎo)電銅片上，接通電源進行高溫?zé)釠_擊20ms～800ms；
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含耐腐蝕涂層的鈦基材的制備方法，其特征在于，步驟s03中，所述還原通過如下方法實現(xiàn)：在氧氣氛圍下，通過高溫?zé)釠_擊對所述氧化鈦基材進行還原；所述高溫?zé)釠_擊的峰值溫度為973k～1473k；所述還原的時間為20ms～800ms；
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的含耐腐蝕涂層的鈦基材的制備方法，其特征在于，步驟s03中，所述高溫?zé)釠_擊包括如下步驟：將所述氧化鈦基材連接至導(dǎo)電銅片上，接通電源進行高溫?zé)釠_擊20ms～800ms；
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含耐腐蝕涂層的鈦基材的制備方法，其特征在于，步驟s03中，所述還原通過如下方法實現(xiàn)：在氫氣氛圍下，通過高溫?zé)釠_擊對所述氧化鈦基材加熱至773k～1273k；
10.一種含耐腐蝕涂層的鈦基材，其特征在于，所述含耐腐蝕涂層的鈦基材由權(quán)利要求1至9任一項所述的制備方法制備得到。