氢听剧场 | 周鸿奎：《氢能源极板涂层沉积技术和涂层装备制造》

非常高兴在这里跟大家分享一下我们在涂层技术和涂层装备上的一些研发以及一些最新实际应用案例。

瑞升是深圳矽谷靶材投资的一个涂层加工的公司，从瑞升成立这几年的时间以来已经累计为这个行业完成了超过40万片PEM制氢的极板和钛毡涂层加工，瑞升是这个行业里面唯一一个大批量生产涂层的加工商，当然瑞升主要涂层优势也是集中在贵金属涂层，当然我们也提供一些涂层沉积的设备，包括一些碳复合涂层，接下来我就瑞升涂层制作工艺和一些装备做一些简单的介绍。

我们知道在氢能源行业涂层占了PEM电堆很大的成本，包括燃料电池也是一样。目前这个成本怎么降低它？瑞升在这方面做了一些深度的研究，我们瑞升有自己独特的一个Face To Face的溅射系统，这个系统目前在国内，甚至在国际上面是一个非常特殊的涂层沉积装置，可以大幅度降低涂层沉积的成本，使钛毡钛箔它的载箔量可以大量提高，同样靶材消耗量的情况下这个沉积系统是普通沉积涂层的2倍，所以这是一个非常大的突破，这也是瑞升能够在贵金属行业里面把成本控制到最低的重点所在。大家可以通过这个大的屏幕看到，我们瑞升公司在涂层行业是深耕了二十年，二十年大量的数据积累，大量涂层工艺实验，所以可以满足氢能源行业各种特殊涂层要求，制备出来涂层的性能也非常好。

我们自有贵金属回收工厂，所以我们在做贵金属涂层的时候可以很好地回收。我们是上海黄金交易所的一级会员，一级会员是什么概念？我们公司买回来的黄金和铂金跟中国银行买回来的黄金是同样价格的，大家知道在个人储藏黄金的时候你到银行去买，银行会加一个10块钱的手续费，这个也是成本，但是瑞升公司就可以省掉这个成本。同时在做贵金属涂层的时候，瑞升公司是矽谷靶材投资的一个公司，所以我们在靶材上面也是可以自主生产贵金属靶材，也省了成本，所以这样一个循环导致我们在贵金属涂层制备方面有一个非常好的优势，这样我的成本可以比同行降低30%，当然我们的品质目前通过大量批量生产也是被大家广泛认可的，我们目前在PEM上面在钛毡和钛板的涂层上面市场占有率大概在60%—70%，也就是说直接给我们电镀或者间接给我们电镀，全国的市场大概在65—70%，有些时候可能有一些涂层是发到别的地区，但可能最终完成涂层加工的实际上是我们。

我再简单介绍一下涂层这方面的一些应用，目前主要是一些金的涂层和铂涂层，还有一些碳涂层，还有一个碳复合涂层，当然也有一部分是镀钌和镀铱的涂层。其实就燃料电池部分来讲，大家采用的涂层有很大的区别，目前主要还是依基材进行分别。像钛基板主要是采用镀金的方案，当然也有一些是镀碳的，因为采用钛极板多半是应用在一些高端的要求，像军工，还有一些院校，还有像上天或者下海的潜艇、轮船上面都会选用钛极板多一些，为了保证可靠性大家都是采用镀金的涂层方案。还有一部分是采用比较经济的，就是不锈钢的基材。不锈钢基材主要是以镀碳为主，当然现在镀碳都是以复合碳涂层为主，什么叫复合碳涂层？刚才西部金属的李老师也讲过，当然也有一些氮化钛或者氮氧化钛或者碳化钛的复合涂层。在PEM上面，主要是因为板材还有毡都是钛材料的原因，大部分都是采用镀铂的涂层，目前这个没有太多的选择，都是在铂涂层上面做一些深度的研究。

这是在制备涂层过程中几种成膜的方式和装置，我大概给大家介绍一下这几个过程。

第一个过程是叫氩离子辉光放电。氩离子辉光放电主要的作用是什么？有一些钛毡和钛板实际上它表面是有一些氧化物的，而且表面的洁净度不够，在这个过程中除了做化学的清洗之外，我们在PVD的设备里面会做一个氩离子辉光放电的清洗，这种清洗是通过高电压把氩离子离化以后用氩离子对钛毡的表面或者钛箔的表面做一些轻微撞击和溅射，表面做一些刻蚀，然后露出新鲜的表面，在新鲜的表面上去沉积一些涂层。

第二个是MS/PFS磁控溅射的过程，这个过程主要是沉积贵金属的过程，比如说镀金、镀铂多半都是采用磁控的。

第三个是阴极电弧。阴极电弧是沉积一些复合涂层，碳化钛、氮化钛等等这些涂层的应用，大家可以看一下。这是设备在做辉光放电时候的一个状态，这是阴极电弧在工作的状态，大家可以看到有极板在里面做沉积。

目前在制备涂层的过程中，主要用到三款设备，之前其他公司也有介绍过。圆柱型的单体机目前是比较适用于科研型的，还有一个连续线的镀膜设备，第三个是智能低能耗的专用涂层设备，这个设备是我们公司自主知识产权的，是经过批量的涂层生产，大量的工艺数据，大量的实验最终做出来的第三代智能涂层设备，为什么叫它低能耗？这个设备在完成涂层的过程中单炉批次电的功率不会超过40个千瓦。大家看到中间这个连续线的涂层，这是一个德国公司的涂层设备，目前是处于闲置状态，为什么闲置呢？因为这个连续线的设备开启的时候不要说别的成本，光电的成本一个小时大概可能要300千瓦—400千瓦，但是我们现在做这个涂层整个行业的产品单价和涂层经济性来讲耗能太高，以至于这个涂层实际上有些时候做加工不是一个太理想的状态，所以针对这个我们公司做了一些改进。

我们这个涂层生产线有什么特点？第一个低能，第二它是非常节省贵金属的，这一点非常重要。我们这个系统贵金属同样的溅射，打个比方，同样溅射100克，但是我们的厚度可能就会上到别人的2倍，所以这是一个非常重要的点。

后面我就一些涂层的特点和属性做一些简单的介绍。

满足一个优质涂层它具备一个什么样的特点呢？主要是这几个特点：第一个涂层比较细腻致密，均匀性比较好，没有孔隙和大的液滴，没有堆集缺陷。大家可以看一下右边下角的图片，A公司是一家外资公司的涂层，做了一个电镜的放大，B公司是上海一家公司，第三个公司是我们瑞升公司，很明显在这个电镜图片里面可以看到，这两家公司涂层里面有一些微小的孔，这个孔径大概是400多到700多纳米的状态，最后这个电堆失效、涂层脱落或者涂层引起的失效，最终是从微小的涂层孔里面渗下去的，它的腐蚀都是从这个地方开始的，所以我们瑞升在这方面也下了一些功夫，深度做了一些研究，目前我们的涂层性能各方面的测试，包括极化测试是远远超过美国DOE标准的，而且在PEM堆上面我们曾经做过3V长时间跑24小时都没有问题，所以这个条件是非常苛刻的，但是都可以满足这个涂层性能要求。

还有一个是结合力良好。结合力良好的判断是做百格的测试，有些时候我们做涂层的时候发现有一些毡或者一些板，可能会有一些加工机械的油或者表面氧化钝化的东西，会很大影响涂层跟机体的结合。在这一块我们瑞升也做了一些大量的投入，包括前期清洗剂，还有刚才看到的氩离子辉光的清洗，也是做了一些工作在上面的。

最后是要有一个比较优异的表面接触电阻。目前来讲我们做的碳复合涂层的电阻是高于3毫欧每平方厘米的，这是远远DOE标准的，基本上跟金已经非常接近了。

这里展示的是如何在涂层制备过程中降低表面接触电阻的情况，有些时候我们做的涂层可能会遇到一些阻值非常大或者阻值达不到要求，这时候怎么办？可以借助这样一个手段，XPS图谱来做涂层的分析。主要分析的点在什么地方？我们分析的点就是看涂层里面的氮或者氧或者碳含量多少。通过第一个数据来看，第一个是纯碳的表面，它的接触电阻是比较高的。第二个是金的纯表面，金的表面它的接触电阻是非常低的，当然我们也做了不同深度的分析，在不同深度分析里面氮和氧的含量，包括碳的含量是不一样的，通过这四个XPS的图谱可以很明显发现，碳涂层表面接触电阻是远远高于金的表面接触电阻的，金的表面接触电阻是非常好的一个状态，当然金镀得越好，它的表面接触电阻越好、越稳定。

最后我再简单介绍一下涂层的几种检测方法，其实目前行业内做涂层的也比较多，大家介绍涂层也蛮多的，大家最终的点还是要回归到涂层的性能，这个涂层好不好一定要经得起检验。如果这个涂层满足很多性能，超越了很多，但是最后检验不好，检验没有通过基本的测试，其实它也不是一个最好的状态。目前检测的方法主要列举了六个方面，当然也有更多的一些检测方法没有把它列出去。

第一个方法是百格法。百格法主要是怎么做？是用3M胶纸去粘贴涂层表面，然后在涂层上面做百格，画完以后用胶纸来粘，如果胶纸粘3次有粉或者掉膜的情况，那判断为这个涂层的质量是不符合要求的。

第二个是高低温热震法。高低温热震法是什么？就是把涂层放到250度的温度情况下保持30分钟，30分钟以后把涂层再放到25摄氏度的冷水里面，通过高低温的震荡测试来判断这个涂层本身跟极体之间的结合力好不好。

第三个就是表面接触电阻测量。我相信这个很多公司都有在做，而且大家都做得比较多，我就不讲了。

第四个是一个好的涂层必须要满足表面镀的涂层均匀性是不是一致，镀金的时候金的一致性是不是一样的，所以怎么来判断呢？除了厚度判断之外，我们采用的是色差仪。色差仪是通过LAB值，A值代表黄色，B值代表青色，L值代表的是光令度，通过这个值判断这一块涂层整体的均匀性，颜色是不是一致，如果颜色一致说明厚度也是一致的。

第五个方法叫做极化测试，当然这个所有公司都有在做，我就不介绍。

最后一个是做贵金属厚度测量。这一部分我想把它单独拎出来给大家讲一讲，为什么要说贵金属的测量？因为有些时候会突然遇到一些情况，客户给你加工，这个涂层的厚度怎么样？因为我是镀金的，镀铂的，100纳米跟50纳米价格差好远的，不要说加工费用，单单这个成本就差很远，怎么来界定这个厚度，怎么把这个厚度放在客户放心的厚度上面，我们这在方面也做的一些工作。

第一个图片是做着球痕测厚仪，球痕测厚仪是把涂层用一个圆球进行研磨，研磨以后通过放大镜来看这个涂层的边缘来测厚，这个准确度是不够的。

第二个是通过纳米扫描电子显微镜做出来的，实际上这个成本是比较，这个是有点类似于晶相切割，晶相切割完以后在横切面又镀了一层铂，通过铂来扫描这个信息做出来的一个厚度，其实这个做测试的成本太高，也不是太理想。

第三个用X—Ray测量。用X—Ray测量我们认为是比较合理的测量方式，因为X—Ray的准确性是比较好的，但是X—Ray里面有一个因子数，我们做的铂的涂层结构是柱状晶的，它不是百分之百延压的薄片状态，X—Ray它的校正片是压严后的一个薄片，所以它的密度肯定比涂层的密度要高，这个时候在做X—Ray测的时候它们俩之间就会有一个因子数，这个因子数越高，测出来的厚度会越高，因子数越低，测出来的厚度会越低。一般公司来讲，我们建议把因子数1.15—1.2之间，这是一个合理的，因为涂层的相对密度也是铂的相对密度大概80%—85%这样的范围。所以解决这个问题以后，你测出来的厚度是非常精准的，而且是没有任何异议的，这一部分非常重要。我们经常会说降低成本，降低铂的载量，但是我们没有去考虑铂的厚度问题，我是设定你铂的厚度在100纳米的时候，同样条件下我们来降低这个成本。但你在50纳米的实际厚度，你说这是一个100纳米的厚度，你来降本降50%，这是不准确的，所以这一部分我们也做了很深入的研究。

最后再说一下我们这个Face To Face的溅射系统，我们认为这个Face To Face溅射系统，随着氢能源行业的发展，随着涂层公司越来越多的参与，这么多公司出来参与，这是一个很好的事情，这个Face To Face的溅射系统将来一定会在这个行业里面大放异彩，一定会为氢能源行业的发展，氢能源行业涂层的沉积降本这一块做很大的贡献。

我的分享到此结束，谢谢大家！

▲氢听剧场现场▲