双极板炭黑涂层制备
利用超声波喷涂机制备双极板炭黑涂层，是通过超声波雾化技术将炭黑浆料均匀沉积在双极板基底表面，以改善其导电性、耐腐蚀性及界面接触性能的工艺。以下从核心原理、关键步骤、性能优化及优势等方面展开说明：
一、核心背景与需求
双极板是燃料电池（如PEMFC）的核心部件，需同时满足高导电性（降低接触电阻）、耐腐蚀性（抵抗燃料电池酸性环境侵蚀）和良好气密性。金属基底（如不锈钢、钛合金）因成本低、力学性能优异被广泛应用，但表面易形成氧化层导致电阻升高；石墨基底导电性好但脆性大。因此，通过炭黑涂层修饰表面，可兼顾基底力学性能与涂层导电/耐腐特性。
二、超声波喷涂的核心原理
超声波喷涂机通过高频超声波振动（20-150kHz）将炭黑浆料雾化成微米级甚至亚微米级液滴（直径通常5-50μm），再通过载气（如氮气）将雾化液滴均匀输送至基底表面，形成致密、均匀的涂层。相比传统空气喷涂，其优势在于：液滴更小更均匀、涂层厚度可控（±1μm）、材料利用率高（可达80%以上），且避免了高压气流导致的液滴飞溅或涂层缺陷。
三、制备关键步骤
1. 炭黑浆料的制备
炭黑涂层性能的核心取决于浆料分散性。需将炭黑（如导电炭黑、乙炔炭黑，粒径20-50nm，比表面积50-1000m²/g）与粘结剂（如PTFE、酚醛树脂、聚酰亚胺，需兼顾导电性与耐酸性）、溶剂（水或有机溶剂，如乙醇、NMP）混合，通过以下方式分散：
– 超声分散（功率300-800W，时间30-60min）或球磨（锆珠直径0.1-0.5mm，转速300-600rpm），打破炭黑团聚，确保浆料粒径分布均匀（D50<1μm）；
– 控制固含量（5-20wt%）：固含量过高易导致雾化堵塞，过低则需多次喷涂，影响效率。
2. 基底预处理
基底表面状态直接影响涂层附着力：
– 金属基底：先用砂纸（800-2000目）打磨去除氧化层，再用乙醇/丙酮超声清洗（10-20min）除油污，最后通过等离子处理（Ar气，功率100-300W）增加表面粗糙度（Ra 0.1-0.5μm），提升润湿性；
– 石墨基底：直接超声清洗去除表面杂质，无需过度打磨（避免脆性断裂）。
3. 超声波喷涂参数优化
通过调控以下参数控制涂层质量：
– 超声频率：频率越高，雾化液滴越小（如60kHz对应液滴直径~10μm），涂层更致密，但频率过高可能导致浆料飞溅；
– 喷涂距离：基底与喷嘴间距10-30mm，过近易导致液滴堆积，过远则液滴干燥过快形成孔隙；
– 喷嘴移动速度：50-200mm/s，速度过快涂层薄且不均，过慢易出现流挂；
– 载气流量：5-20L/min（氮气），流量过低液滴沉积不足，过高则液滴被吹散；
– 喷涂次数：单次涂层厚度0.5-2μm，通过多次叠加控制总厚度（目标3-10μm，过厚易开裂）。
4. 后处理工艺
– 干燥：在60-120℃烘箱中干燥30-60min，去除溶剂，避免涂层起泡；
– 固化/烧结：若用热固性粘结剂（如酚醛树脂），需在惰性气氛（N₂）中200-300℃固化1-2h，使粘结剂交联，增强涂层与基底的结合力（附着力需≥5MPa，划格法测试）。
四、涂层性能表征
– 导电性：四探针法测方块电阻（目标<10mΩ·cm²）；
– 耐腐蚀性：在0.5M H₂SO₄溶液（模拟燃料电池环境）中，用电化学工作站测极化曲线（腐蚀电流密度<1μA/cm²）；
– 微观形貌：SEM观察涂层均匀性（无裂纹、孔隙率<5%），TEM验证炭黑分散状态；
– 界面接触电阻：在1.5MPa压力下，测试涂层与气体扩散层（GDL）的接触电阻（目标<10mΩ·cm²）。
五、优势与应用
超声波喷涂技术制备的炭黑涂层，因均匀性高、厚度可控，可显著降低双极板接触电阻（较未涂层金属基底降低50%以上），同时通过炭黑屏障作用抑制基底腐蚀（腐蚀电流密度降低1-2个数量级）。该工艺已在车用燃料电池金属双极板量产中初步应用，兼顾成本与性能优势。
总结：通过优化浆料分散性、喷涂参数及后处理工艺，超声波喷涂可高效制备高性能双极板炭黑涂层，是燃料电池关键材料低成本、高质量制备的重要技术路径。
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