一种耐腐蚀且导电性强的电极用复合涂层的制备方法

摘要

一种耐腐蚀且导电性强的电极用复合涂层的制备方法，电极为Cu合金电极，复合涂层包括依次镀在Cu合金电极表面的Ti薄膜和亚氧化钛涂层薄膜，具体步骤如下：取Cu合金电极，进行脱氧、去杂处理；按98：2~99：1的重量比称取亚氧化钛粉和Ti粉，混合后放入烧结炉中烧结成复合陶瓷块，制得复合靶材；使用磁控溅射镀膜机在Cu合金电极的表面镀Ti薄膜，Ti薄膜的厚度为40~100nm；使用磁控溅射镀膜机在Ti薄膜表面镀亚氧化钛薄膜，亚氧化钛薄膜的厚度为2~5μm；本发明通过在Cu合金材料表面涂覆Ti涂层及亚氧化钛涂层，增强了Cu合金电极的使用寿命，降低了材料的成本，使得电极材料具有较强的耐腐蚀性能及导电性能。

说明书

技术领域

本发明涉及材料防护技术领域，具体的说是一种耐腐蚀且导电性强的电极用复合涂层的制备方法。

背景技术

随着工业智能化时代的到来，智能电力驱动装置是工业化的重要支撑部分，在电力驱动装置制造之中，电极材料是一个不可或缺的部分，起着传递电流，连接线路的作用。在电化学反应器中，电极就是心脏，电极是电化学反应的场所，电极的电位的变化，对电子的转移和反应进行着制约。电极材料在活性强的气氛之中，容易产生腐蚀现象，腐蚀会破坏电极保护层及电极材料，腐蚀材料将使表面电阻降低、而增加了摩擦力等现象，降低了电极使用性能。电极材料可以分为铂电极、石墨电极等材料，铂电极价格比较昂贵，石墨电极是由石墨与粘结剂的混合物压制而成，它的摩擦磨损性能比较差，石墨电极在循环利用的时刻，有衰减的特征，由于自身材料的缺点，在一定范围内限制了这些材料的使用。新型材料亚氧化钛涂层的出现，给电极材料的发展指明了一条思路，它是一种活性很强的新能源功能材料。亚氧化钛是Ti₄O₇或者Ti₅O₉，由于Ti的缺失，多余的电子没有形成电子对的结构，起着传递电流的作用，因此，亚氧化钛是电流的良好导体，亚氧化钛具有陶瓷的性能，如耐热性强、耐碱性、耐溶剂性好，可以用于氯碱工业、有机合成等工业生产。亚氧化钛电极目前使用烧结法制备而成，采用二氧化钛粉末和氢化钛粉末烧结或者二氧化钛粉末钛制备，工艺复杂，对高温炉的性能真空度要求苛刻。烧结法可以制备块状氧化钛，然后加工出电极形状，烧结法很难制备出氧化钛薄膜包裹层复合电极材料。这就迫切需要一种可控性强新型的氧化钛电极材料制备方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术问题的不足，本发明提出一种耐腐蚀且导电性强的电极用复合涂层的制备方法，通过在Cu合金材料表面涂覆Ti涂层及亚氧化钛涂层，增强了Cu合金电极的使用寿命，降低了材料的成本，使得电极材料具有较强的特征功能。

本发明为解决上述技术问题的不足而采用的技术方案是：一种耐腐蚀且导电性强的电极用复合涂层的制备方法，电极为Cu合金电极，复合涂层包括依次镀在Cu合金电极表面的Ti薄膜和亚氧化钛涂层薄膜，具体步骤如下：

（1） 取Cu合金电极，进行脱氧、去杂处理；

（2）按98：2~99：1的重量比称取亚氧化钛粉和Ti粉，混合后放入烧结炉中烧结成复合陶瓷块，制得复合靶材；

（3）使用磁控溅射镀膜机在Cu合金电极的表面镀Ti薄膜，Ti薄膜的厚度为40~100nm；

（4） 使用磁控溅射镀膜机在Ti薄膜表面镀亚氧化钛薄膜，亚氧化钛薄膜的厚度为2~5μm。

进一步的，亚氧化钛粉和Ti粉的细度均为40~100目。

进一步的，所述步骤（1）中，将Cu合金电极放入丙酮与酒精的混合液中，超声清洗5~10min。

进一步的，所述步骤（2）中，复合靶材的直径为80mm，厚度为6mm 。

进一步的，所述步骤（3）中，镀膜工艺如下：采用射频模式，射频电源功率为200~300W，腔体内气压为2~5Pa，Ar气流量为40~80sccm 。

进一步的，所述步骤（4）中，镀膜工艺如下：采用直流或者射频模式，直流或者射频电源功率为200~300W，腔体内气压为0.5~0.8Pa，Ar气流量为40~80sccm 。

本发明的有益效果是：

（1）本发明采用磁控溅射在Cu合金电极表面涂覆Ti涂层及亚氧化钛涂层来制备电极，替代了部分整体烧结的过氧化钛电极，由于复合涂层的厚度极薄，为2~5μm，大大减少了过氧化钛的使用量；

（2）本发明复合涂层包括Ti涂层和亚氧化钛涂层，其中Ti的含量为1~2%，添加的目的：一方面是为了提高过氧化钛的纯度，由于过氧化钛靶材在磁控溅射过程中容易结合周围环境中的氧气，生成氧化钛，而氧化钛的混入则会降低薄膜的导电性，因此在Cu合金材料表面先镀Ti涂层，可以去除周围的氧，以及还原富足的氧，进而保证亚氧化钛涂层的质量；另一方面镀Ti涂层，Ti金属作为中间层，与Cu合金以及过氧化钛都具有一定的亲和性，可增强亚氧化钛的膜系结合力；亚氧化钛是电流的良好导体，具有陶瓷的性能，如耐热性强、耐碱性、耐溶剂性好，可以用于氯碱工业、有机合成等工业生产，高活性的亚氧化钛实现了电极极化电位的降低、电流密度的提高，从而改善了电极的催化活性，降低了电极在实际使用过程中电极电位，达到了节能降耗的目的。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的阐述。

实施例1

一种耐腐蚀且导电性强的电极用复合涂层的制备方法，电极为Cu合金电极，复合涂层包括依次镀在Cu合金电极表面的Ti薄膜和亚氧化钛涂层薄膜，替代了部分整体烧结的过氧化钛电极，由于复合涂层的厚度极薄，大大减少了过氧化钛的使用量；具体步骤如下：

（1） 取Cu合金电极，放入丙酮与酒精的混合液中，超声清洗10min，进行脱氧、去杂处理，由于有机物在高真空下分解为O₂、H₂O、>

（2）按99：1的重量比称取亚氧化钛粉和Ti粉，亚氧化钛粉和Ti粉的细度均为40目，混合后放入烧结炉中烧结成复合陶瓷块，制得直径为80mm，厚度为6mm的复合靶材；

（3）使用磁控溅射镀膜机在Cu合金电极的表面镀Ti薄膜，Ti薄膜的厚度为40nm，Ti的含量为1%，添加的目的：一方面是为了提高过氧化钛的纯度，由于过氧化钛靶材在磁控溅射过程中容易结合周围环境中的氧气，生成氧化钛，而氧化钛的混入则会降低薄膜的导电性，因此在Cu合金材料表面先镀Ti涂层，可以去除周围的氧，以及还原富足的氧，进而保证亚氧化钛涂层的质量；另一方面镀Ti涂层，Ti金属作为中间层，与Cu合金以及过氧化钛都具有一定的亲和性，可增强亚氧化钛的膜系结合力；镀膜工艺如下：采用射频模式，射频电源功率为200W，腔体内气压为2Pa，Ar气流量为60sccm；

（4） 使用磁控溅射镀膜机在Ti薄膜表面镀亚氧化钛薄膜，亚氧化钛薄膜的厚度为5μm，亚氧化钛是电流的良好导体，亚氧化钛具有陶瓷的性能，如耐热性强、耐碱性、耐溶剂性好，可以用于氯碱工业、有机合成等工业生产，高活性的亚氧化钛实现了电极极化电位的降低、电流密度的提高，从而改善了电极的催化活性，降低了电极在实际使用过程中电极电位，达到了节能降耗的目的，镀膜工艺如下：采用直流或者射频模式，直流或者射频电源功率为200W，腔体内气压为0.5Pa，Ar气流量为40sccm，射频模式在0.5Pa气压的情况下，设备不能直接起辉，需要将磁控溅射设备内部的气压调整到2~10Pa，此时，在射频模式下起辉，辉光正常以后，调整气压为0.5Pa。

实施例2

一种耐腐蚀且导电性强的电极用复合涂层的制备方法，电极为Cu合金电极，复合涂层包括依次镀在Cu合金电极表面的Ti薄膜和亚氧化钛涂层薄膜，替代了部分整体烧结的过氧化钛电极，由于复合涂层的厚度极薄，为3μm，大大减少了过氧化钛的使用量；具体步骤如下：

（1） 取Cu合金电极，放入丙酮与酒精的混合液中，超声清洗8min，进行脱氧、去杂处理，由于有机物在高真空下分解为O₂、H₂O、>

（2）按98：2的重量比称取亚氧化钛粉和Ti粉，亚氧化钛粉和Ti粉的细度均为60目，混合后放入烧结炉中烧结成复合陶瓷块，制得直径为80mm，厚度为6mm的复合靶材；

（3）使用磁控溅射镀膜机在Cu合金电极的表面镀Ti薄膜，Ti薄膜的厚度为60nm，Ti的含量为2%，添加的目的：一方面是为了提高过氧化钛的纯度，由于过氧化钛靶材在磁控溅射过程中容易结合周围环境中的氧气，生成氧化钛，而氧化钛的混入则会降低薄膜的导电性，因此在Cu合金材料表面先镀Ti涂层，可以去除周围的氧，以及还原富足的氧，进而保证亚氧化钛涂层的质量；另一方面镀Ti涂层，Ti金属作为中间层，与Cu合金以及过氧化钛都具有一定的亲和性，可增强亚氧化钛的膜系结合力；镀膜工艺如下：采用射频模式，射频电源功率为200W，腔体内气压为3Pa，Ar气流量为40sccm；

（4） 使用磁控溅射镀膜机在Ti薄膜表面镀亚氧化钛薄膜，亚氧化钛薄膜的厚度为3μm，亚氧化钛是电流的良好导体，亚氧化钛具有陶瓷的性能，如耐热性强、耐碱性、耐溶剂性好，可以用于氯碱工业、有机合成等工业生产，高活性的亚氧化钛实现了电极极化电位的降低、电流密度的提高，从而改善了电极的催化活性，降低了电极在实际使用过程中电极电位，达到了节能降耗的目的，镀膜工艺如下：采用直流或者射频模式，直流或者射频电源功率为300W，腔体内气压为0.5Pa，Ar气流量为40sccm，射频模式在0.5Pa气压的情况下，设备不能直接起辉，需要将磁控溅射设备内部的气压调整到2~10Pa，此时，在射频模式下起辉，辉光正常以后，调整气压为0.5Pa。

实施例3

一种耐腐蚀且导电性强的电极用复合涂层的制备方法，电极为Cu合金电极，复合涂层包括依次镀在Cu合金电极表面的Ti薄膜和亚氧化钛涂层薄膜，替代了部分整体烧结的过氧化钛电极，由于复合涂层的厚度极薄，为2μm，大大减少了过氧化钛的使用量；具体步骤如下：

（1） 取Cu合金电极，放入丙酮与酒精的混合液中，超声清洗8min，进行脱氧、去杂处理，由于有机物在高真空下分解为O₂、H₂O、>

（2）按98.5：1.5的重量比称取亚氧化钛粉和Ti粉，亚氧化钛粉和Ti粉的细度均为40目，混合后放入烧结炉中烧结成复合陶瓷块，制得直径为80mm，厚度为6mm的复合靶材；

（3）使用磁控溅射镀膜机在Cu合金电极的表面镀Ti薄膜，Ti薄膜的厚度为80nm，Ti的含量为1.5%，添加的目的：一方面是为了提高过氧化钛的纯度，由于过氧化钛靶材在磁控溅射过程中容易结合周围环境中的氧气，生成氧化钛，而氧化钛的混入则会降低薄膜的导电性，因此在Cu合金材料表面先镀Ti涂层，可以去除周围的氧，以及还原富足的氧，进而保证亚氧化钛涂层的质量；另一方面镀Ti涂层，Ti金属作为中间层，与Cu合金以及过氧化钛都具有一定的亲和性，可增强亚氧化钛的膜系结合力；镀膜工艺如下：采用射频模式，射频电源功率为300W，腔体内气压为5Pa，Ar气流量为60sccm；

（4） 使用磁控溅射镀膜机在Ti薄膜表面镀亚氧化钛薄膜，亚氧化钛薄膜的厚度为2μm，亚氧化钛是电流的良好导体，亚氧化钛具有陶瓷的性能，如耐热性强、耐碱性、耐溶剂性好，可以用于氯碱工业、有机合成等工业生产，高活性的亚氧化钛实现了电极极化电位的降低、电流密度的提高，从而改善了电极的催化活性，降低了电极在实际使用过程中电极电位，达到了节能降耗的目的，镀膜工艺如下：采用直流或者射频模式，直流或者射频电源功率为300W，腔体内气压为0.8Pa，Ar气流量为60sccm，射频模式在0.5Pa气压的情况下，设备不能直接起辉，需要将磁控溅射设备内部的气压调整到2~10Pa，此时，在射频模式下起辉，辉光正常以后，调整气压为0.5Pa。

取镀镍薄膜的铜合金电极以及本发明的镀复合涂层的铜合金电极进行盐雾试验；试验步骤如下：

（1）配置浓度为50±5g/L的氯化钠溶液，溶液的PH值7.2；

（2）将试样放在试验箱内，两种试样的被试面与垂直方向成20°角；

（3）试验周期选择为2h，6 h，16 h，24 h，48 h，96h；

（4）放在室内自然干燥1h，流动水轻轻清洗，除去两种试样表面盐雾溶液的残留物，吹干试样。

实验结果如下：镀镍薄膜的铜合金电极在盐雾试验进行的过程中出现了起泡现象、且表面大约0.1%区域有绿锈产生；本发明的镀复合涂层的铜合金电极在整个过程基本无变化，说明本发明的电极通过镀复合涂层后，具有更好的耐腐蚀性。

取铜合金电极以及本发明的镀复合涂层的铜合金电极使用TX-300A智能金属导体电阻率仪进行电导率测试，其中我们选择的合金铜为铬锆铜（CuCrZr），化学成分按质量比如下：Cr：0.1~0.8%， Zr：0.3~0.6%，其余为Cu），测试结果如下：

表1对比试样电导率测试结果

从数据测试表可以看出：铜合金电极以及本发明的镀复合涂层的铜合金电导率相当，且均高于合金铜电极材质，说明镀复合涂层可以提高铜合金电极的导电率。

对所公开的实施例的上述说明，仅为了使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。