用于物品表面的涂层，包括所述涂层的物品以及形成所述涂层的方法与流程

用于物品表面的涂层，包括所述涂层的物品以及形成所述涂层的方法
1.本技术涉及的发明是在物品表面形成涂层，特别但不唯一地，为了实现物品的使用目的，在要求涂层导电的物品上形成涂层。在一个实施方案中，所述物品可以是燃料电池或燃料电池板。本发明还涉及具有所需性能的涂层的涂覆方法。
2.需要具有导电性的物品是众所周知的，其中一种物品形式是燃料电池、电极或双极板，其可作为发电系统的一部分与其他电极或双极板一起使用，例如在车辆中使用，从而能够和其他能源一起、或代替其他能源推进车辆。已发现，在实践中，由于物品在操作期间处于液体或气体中，通常由导电材料形成的物品的基底或核心会受到腐蚀，然后导致物品性能损失，甚至失效。由于腐蚀对物品性能具有不利影响，因此需要保护物品的核心或基底免受腐蚀介质的影响，以延长物品的使用寿命。
3.实现这一目的的一种已知方法是为物品提供涂层，该涂层在物品被使用时形成物品的外表面，并形成已知为耐腐蚀的材料涂层的外表面，同时，允许涂层复制需要存在于物品外表面的导电效应。
4.实现这一目的的一种方法是施用贵金属(如金)的连续涂层，但使用这种形式的材料非常昂贵，因此，提供足够深度的金的连续涂层以确保涂层具有所需的导电性是极其昂贵的，或者，如果以减少的深度施用涂层，尽管这样可以减少涂层的费用，但发现这样无法达到物品的操作所需的导电或耐腐蚀性能。此外，导电涂层与基材的结合可能不充分，这会导致所述涂层脱落，并且导致之后的腐蚀和导电性的损失。
5.因此，现有技术中为克服这些已知的问题已经进行了多种不同的尝试，但到目前为止，人们认为这些尝试并没有完全成功。
6.因此，本发明的目的是提供一种用于物品的涂层和具有施用于其上的涂层的物品，以及一种施用涂层的方法，所述涂层可达到所需的耐腐蚀性能，以确保物品的使用寿命同样具有经济吸引力，同时，确保物品在导电性、性能和效率方面有能力达到所需目标。
7.本发明的第一方面提供了一种物品，所述物品包括基底(base)，并且在至少一部分基底表面上施用有涂层，所述涂层包括耐腐蚀材料层，并且所述耐腐蚀材料层上施用有具有导电性的外层，并且其中所述外层形成为离散区域形式的非连续层。
8.在一个实施方案中，所述外层覆盖的面积小于其上施用有外层的涂层的所有表面。
9.在一个实施方案中，施用所述外层，使得其上施用所述外层的涂层的一些部分在涂层外表面处暴露。
10.在一个实施方案中，所述一些部分随机分布在涂层的外表面上。
11.在一个实施方案中，所述外层的施用方式使得形成涂层的相互交联的网状形式的外层。
12.在一个实施方案中，所述外层的深度在2-30纳米的范围内。
13.在一个实施方案中，所述耐腐蚀层由多个亚层形成，并且至少一个亚层包含以下物质的氧化物或氮化物中的任一种或它们的组合：钛、锆、铌、碳和/或石墨烯。
14.在一个实施方案中，所述亚层位于所述外层之下。
15.在一个实施方案中，所述耐腐蚀层的深度在10-70纳米的范围内。
16.在一个实施方案中，所述耐腐蚀层通过依次施用两层或更多层钛亚层、钛氧化物或钛氮化物亚层，以及施用于其上的钛亚层来制备。
17.在一个实施方案中，所述耐腐蚀层包含用作所述层的一部分的金属的氧化物或氮化物。
18.在一个实施方案中，所述外层的施用深度为2-30纳米，并且由碳、金、另外的贵金属(precious metal)、或诸如铂或钌的贵金属(noble metal)、和/或石墨中的任一种形成。
19.在一个实施方案中，所述涂层包括施用到物品表面的另外的层，并且所述另外的层由钛、锆、铌或铪中的任一种或它们的组合形成。
20.在一个实施方案中，所述物品由钛、不锈钢、铝合金或铝中的任一种形成。
21.在一个实施方案中，所述涂层包括从所述外层(如果存在的话)到耐腐蚀层进而到物品的导电路径。在没有施用外层的那些部分，则可能不存在到物品的导电路径，因此，外层涂覆到耐腐蚀层上的程度要足够大，以覆盖耐腐蚀层，从而一旦向物品施用了涂层就为物品的操作提供所需的导电性。
22.本发明的另外的方面提供了一种用于物品的涂层，所述涂层包括由钛、锆、铌和/或铪中的任一种或它们的任意组合形成的层，包含以下物质的氧化物或氮化物的耐腐蚀层：钛、锆、铌、碳、石墨烯或它们的任意组合，以及由金、另外的贵金属(precious metal)、或贵金属(noble metal)或石墨形成的外层，其中所述外层是由所述耐腐蚀层上的离散部分形成的非连续层。
23.本发明的另外的方面提供了一种在物品表面上形成涂层的方法，所述方法包括溅射沉积耐腐蚀层的步骤，所述耐腐蚀层包含选自钛、锆、铌、铪或碳材料的金属或合金，和/或选自钛、锆、铌、铪或碳材料的金属或合金的氧化物或氮化物，使用选定的所述材料的适当靶，将其从磁控管溅射沉积到所述物品位于其中并在其中以线性或可旋转方式移动的腔室中，并且其中将导电外层施用到所述耐腐蚀层上，以及其中施用所述外层以便形成非连续层，从而使得所述耐腐蚀层的一些部分在所述物品的涂层的外表面处暴露。
24.通常，将所述外层以足够的程度施用到所述耐腐蚀层上，以允许在外层和物品之间形成导电路径，从而能够提供物品所需的导电特性。
25.在一个实施方案中，所述方法包括对待施用涂层的物品表面进行离子清洗的初始步骤。
26.在一个实施方案中，一旦将涂层施用到物品上，就对涂层进行加热步骤。所述加热步骤有助于形成防腐蚀金属氧化物和提供导电路径的贵金属和/或碳的网络。
27.在一个实施方案中，所述加热步骤在将物品从涂覆装置卸载之前进行。
28.在一个实施方案中，所述外层包含金、另外的贵金属(precious metal)、贵金属(noble metal)和/或石墨。
29.在一个实施方案中，通过从磁控管将来自合适材料靶的材料溅射沉积到所述物品位于其中并在其中以线性或可旋转方式移动的腔室中，来施用所述外层。
30.在一个实施方案中，所述方法包括施用另外的层的步骤，所述另外的层施用到物品表面上，并且所述另外的层由钛、锆、铌或铪中的任一种或它们的任意组合形成，然后将
所述耐腐蚀层施用到所述另外的层上。
31.下面参照附图描述本发明的具体实施方案；其中
32.图1a-e示出了根据本发明的涂层的实施方案；和
33.图2示出了一个装置的实施方案，该装置可用于实施根据一个实施方案的施用涂层的方法步骤。
34.首先参照图1a-c，其示出了根据本发明形成的涂层的三个实施方案的立面图，并且在图1d中形成了涂层的一个实施方案的平面图。在每个实施方案中，提供了一种物品2，其具有向其施用涂层的表面4。
35.尽管仅显示了物品的一部分，但应该了解，根据所需的具体性能，所施用的涂层可涂覆于整个物品上或涂覆于物品的一部分上。
36.所述物品2通常由导电材料形成，例如钛、不锈钢、铝合金或铝，并且在一个实施方案中，物品2可以是用于燃料电池的板。
37.在如图1a所示的实施方案中，物品2具有涂覆在其上的涂层6，其包括具有耐腐蚀性的层8。在本实施方案中，将层8涂覆到物品的表面4上，然后在其上涂覆导电外层10，如放大方式所示，其通过形成离散区域而以非连续层的形式形成，使耐腐蚀层的一些部分12暴露在涂层外表面的所述离散区域之间，以形成涂层外表面的一部分。在本实施方案中，导电外层10由金形成，耐腐蚀层8由钛氧化物或钛氮化物形成。
38.所述外层10的区域的施用图案可以是如图1e所示的随机图案，该图显示了由区域21形成的涂层6的外表面19的平面图，或者可以是区域21的预定图案，例如，形成如图1d所示的相互交联的网状图案的外部涂层，该图显示了所述涂层实施方案的平面图，在这两个实施方案中，耐腐蚀层8的一些部分20在外表面19处暴露。
39.在图1b中，示出了另外的实施方案，其中再次提供了非连续的外部导电层10，并且在本实施方案中，提供了另外的钛层14，其首先涂覆于物品2的表面4，然后在其上涂覆包含钛氧化物或钛氮化物的耐腐蚀层8。
40.在图1c中，示出了耐腐蚀层8由一系列亚层形成，因此在本实施方案中，涂层包括另外的层14，在施用导电外层10之前，提供金属氧化物或金属氮化物的亚层8以及然后提供诸如钛的金属亚层16。如果其中的亚层8由金属氮化物形成，则可能需要其上的亚层16。
41.可以选择并施用外层10，以便对下层的表面进行特定覆盖，从而可以选择外层对下层的覆盖范围，从而对施用涂层后的物品所具有的特定导电性进行选择。
42.如前所述，图1d示出了一种形式的外层10的平面图，其具有区域21的相互交联的网状图案，图1e示出了由一系列随机分布的区域21形成的外部涂层。
43.据信，根据本发明，导电路径从外层区域(如果施用的话)形成，并穿过图1a-c中箭头18所示的耐腐蚀层8，然后到达由导电材料形成的物品的基底2，从而以所施用的该涂层实现物品在有效操作中所需的导电性，同时，提供耐腐蚀层可减少物品的腐蚀。在耐腐蚀层8的未被外层10覆盖的部分20中，据信，在暴露于正常操作条件下时，材料可能会额外发生氧化，但这对物品的性能没有重大影响，因为已施用的外层的离散区域仍然提供了足够的保护。
44.参照图2，其示出了根据本发明一个实施方案的可用于施用所述涂层的线性溅射涂覆装置和方法。在本实施方案中，提供了支架22，将一个或一系列待涂覆的物品2放置于
该支架上。所述支架22沿箭头24所示的线性方向移动至虚线框所示的涂覆室38，并且在该室中可形成真空的第一段26处，执行离子清洗步骤，该步骤使得将要施用涂层的物品2的表面4得到清洗。
45.然后，支架移动到涂覆段28，在该段，将合适的材料靶放置在不平衡磁控管30、32、34上，以允许磁控管的选择性操作，并使得特定材料溅射沉积，其待形成如图1a-c所示的涂层，并且采用特定要求的操作顺序和持续选定的时间段，以形成预定深度的涂层。一旦施用了涂层以形成涂层，就将支架22和其上的经涂覆的物品2移动至加热段36，在该段将物品和施用的涂层加热至预定温度，通常在50-300℃的范围内，以进一步调节涂层，然后可从装置中取出物品并提供待用。
46.因此，本发明允许将耐腐蚀层施用到物品上，以保护物品免受腐蚀，并且消除针孔的形成，并且不需要在防腐蚀层中必需提供的金或其他贵金属，同时确保在涂层的内部/中间层中不含金的情况下，可以使涂层获得优异的导电性。