微观组织调控对TiN-Ag涂层Ag表面偏析及其耐蚀/接触电阻稳定性的影响
批准号：
52101094
项目类别：
青年科学基金项目（C类）
资助金额：
30.0 万元
负责人：
邵文婷
依托单位：
学科分类：
金属材料使役行为与表面工程
结题年份：
2024
批准年份：
2021
项目状态：
已结题
项目参与者：
邵文婷
项目摘要
结项摘要
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中文摘要
针对TiN-Ag涂层中因Ag的表面偏析，导致涂层耐蚀和接触电阻稳定性降低这一问题，本项申请拟采用脉冲式溅射调控TiN涂层的生长模式，将传统微观组织中的TiN柱状晶演化为等轴晶，并构建合适的电场和热激活环境以利于Ag在等轴晶TiN涂层晶界的可控分布，从而实现抑制Ag的表面偏析及提高涂层耐蚀和接触电阻稳定性的目的。系统研究脉冲参量、Ti靶功率和N2流量等工艺参数对TiN涂层微观组织的影响规律，阐明等轴晶TiN涂层的形成机制；明确等通量变换模式下受Ag靶峰值电流和脉宽调控的瞬态Ag通量、涂层中Ti/Ag/N原子比、基片温度与涂层中Ag存在状态与分布的相关性规律；揭示等轴晶TiN涂层的微观组织、Ag的存在状态与分布对Ag表面偏析及涂层耐蚀和接触电阻稳定性的影响规律；确定出既可有效抑制Ag的表面偏析，又能使涂层耐蚀和接触电阻稳定性协同提高的实验参数，为车用质子交换膜燃料电池“缩尺减重”提供实验支撑。
英文摘要
Due to the Ag surface segregation in the TiN-Ag coating, the corrosion resistantce and stability of interfacial contact resistance of the coating are reduced. This project proposes to use the pulsed sputtering mode to adjust the growth pattern of TiN coating, makes the columnar TiN grains in the traditional microstructure evolved into equiaxed grains, and to construct an appropriate electric field and thermal activation environment to facilitate the controllable distribution of Ag in the grain boundary of equiaxed TiN coating, so as to realize the purpose of inhibiting the Ag surface segregation and improving the corrosion resistance and stability of interfacial contact resistance of the coating. The effect of technological parameters such as pulsed parameters, Ti target power and N2 flow rate on microstructure of TiN coating will be systematically studied, the formation mechanism of equiaxed TiN coating will be elucidated. The correlation law of the transient Ag incorporation flux, substrate temperature, Ti/Ag/N atomic ratio in the coating and the existential state and distribution of Ag in the TiN-Ag coating will be clarified. The effects of the microstructure of TiN coating, the existential state and distribution of Ag in the coating on Ag surface segregation, corrosion resistance and stability of interfacial contact resistance of TiN-Ag coating will be revealed. The experimental parameters which can not only effectively inhibit the Ag surface segregation but also improve the corrosion resistance and stability of interfacial contact resistance of the coating will be determined. The project aims at offering experimental support for “scale reduction” of proton exchange membrane fuel cell plate for vehicles.
用厚度不及0.5 mm的金属极板替代厚度2 mm以上的石墨板是实现车用燃料电池“缩尺减重”的有效途径，但金属极板极易钝化和腐蚀，导致其接触电阻增加。于金属极板表面制备一层掺银TiN涂层，能够实现其导电和耐蚀性能的协同提升。但在以柱状晶为基本特征的TiN涂层微观组织中，Ag会发生表面偏析，导致涂层耐蚀和接触电阻稳定性降低，进而严重制约了TiN-Ag涂层的工程化应用。针对这一难题，本文通过将TiN涂层微观组织从柱状结构调控为等轴结构，抑制了TiN-Ag涂层中Ag的表面偏析。主要研究内容及结果如下：.1）研究了溅射方式对TiN涂层微观组织的影响。结果表明，采用射频非连续溅射的方式能够制备出致密等轴晶TiN涂层，与柱状晶TiN涂层相比，等轴晶TiN涂层腐蚀电流密度和接触电阻降低了1个数量级；.2）考察了基底负偏压对等轴晶TiN涂层微观组织和性能的影响。结果表明，负偏压为200 V时，制备的涂层最为致密，涂层接触角为95.94°，腐蚀电流密度为0.12 µA·cm-2；.3）研究了Ag掺入量对等轴晶TiN涂层中Ag表面偏析及导电耐蚀性能的影响规律。结果表明，等轴晶TiN涂层能够有效抑制Ag的偏析，Ag以金属单质形式均匀分布在TiN中；.4）分析了热激活条件下Ag靶功率对等轴晶TiN涂层微观组织及导电耐蚀稳定性的影响。在Ag靶功率为5 W时，涂层接触角最大为101.2°，腐蚀电流密度最低为0.52 µA·cm-2，涂层接触电阻为9.23 mΩ·cm2。.5）研究了模拟质子交换膜燃料电池阴极环境中的TiN-Ag涂层耐蚀及接触电阻稳定性，Ag靶功率为5 W时涂层腐蚀电流密度最低为1.032 µA·cm-²，且极化前后接触电阻无明显变化。.本项目可为燃料电池金属极板表面导电耐蚀涂层的制备提供新思路，促进质子交换膜燃料电池金属极板的工程化应用。
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