本發明涉及屬于濺射鍍覆技術領域，尤其是涉及一種用于制備燃料電池金屬雙極板的臥式磁控濺射系統及鍍膜工藝。

背景技術：

隨著新能源汽車的發展，燃料電池隨之得到發展，質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)可以不經過燃燒而直接將氫氣中的化學能轉變為電能，其能量轉換效率不受卡諾循環的限制，電池組的發電效率可達50％以上，唯一產物為水，對環境十分友好。雙極板是質子交換膜燃料電池的關鍵部件之一，占電堆體積的80％、質量的70％和成本的29％。其主要功能是分隔反應氣體、收集電流、將各單電池串聯起來并通過流場為反應氣體進出電極及水的排除提供通道等。因此，理想的雙極板材料必須具有高的電導率和良好的耐蝕性、低密度、高機械強度、高氣密性、化學穩定性好及易加工成型等特點。前，PEMFC雙極板材料主要有三類：石墨材料、復合材料和金屬材料。石墨雙極板導電良好、易于加工，但材料脆性極大，機械性能差，同時加工效率低，難以實現商業化大批量生產。復合材料雙極板以碳粉和樹脂為主要原料、經過模壓等方式制備而成，其成本低廉，但是復合雙極板還存在導電性和氣體滲透的問題。金屬薄板具有高的強度和導電、導熱性能，原材料便宜且適合沖壓等大批量生產方式，是公認的燃料電池產業化的首選。

目前，為了減小燃料電池金屬極板的接觸電阻，一般采用在不銹鋼燃料電池金屬極板表面利用磁控濺射的方法鍍覆一層非晶碳膜即GLC膜或貴金屬膜層及某些微量摻雜元素。在金屬極板生產鏈中，設計高吞吐量，高生產質量的連續式磁控鍍膜設備，提高鍍膜的生產效率成為產業化過程中關鍵的一環。中國專利200910031377.2提出了多腔室鍍膜設備的整體設計方案，包括鍍膜室的隔離，過渡，工件架的運動和電氣設計方案，但該專利沒有考慮到鍍膜過程中工藝的靈活性及膜層可能出現的問題，在布氣環節沒有監測裝置。中國專利200910135305.2設計了一種連續式鍍膜設備的循環輸送系統，該設計主要考慮了工件架在不同腔室內的運動方式和機構設計，通過提高工件的傳送效率提高生產效率，但在磁控濺射鍍膜過程中，尤其是對于沉積速率較慢的非晶碳膜，制約生產效率的因素不是工件的傳送效率，而是同一時間鍍膜室的產品數量，因此在生產燃料電池金屬極板設備中，設計復雜的傳送機構會增加設備的不穩定性和設備成本。中國專利200920056047.4設計了一種多功能鍍膜設備，在同一臺設備上配備了磁控濺射靶源，電弧源，射頻電源等，該設備的多功能必然帶來生產單一產品時的資源浪費，該設備適合做科研及膜層開發使用，不適合生產大批量的單一類型的產品。中國專利201110149168.5設計了一種同端進出式連續濺射鍍膜設備，該設備同端進出，設備緊湊，設計巧妙，但在一定范圍內，場地的成本在整個鍍膜生產成本中占的比例并不大，這種設備在均勻性設計上比較欠缺，不適合燃料電池金屬雙極板的大批量生產。中國專利201510103282.2設計一種柔性基材雙面連續卷繞磁控濺射鍍膜自動生產線，該生產線針對柔性基材的膜層制備，通過反向纏繞雙面鍍膜大大提高了鍍膜效率，這種設計不適合具有一定剛度的金屬雙極板的鍍膜。本發明針對燃料電池金屬雙極板的鍍膜要求設計一種燃料電池金屬極板連續鍍膜工藝及臥式磁控設備，為實現連續高效量產燃料電池金屬雙極板和實現金屬雙極板膜層的均勻性控制提供技術支持。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種用于燃料電池金屬雙極板的臥式磁控濺射系統及鍍膜工藝。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種用于燃料電池金屬雙極板的臥式磁控濺射系統，包括：

真空鍍膜腔室機構：包括順次連接的三個腔室：第一鍍膜腔室、過渡腔室和第二鍍膜腔室，其中，第一鍍膜腔室用于對工件鍍制膜層底層和過渡層，第二鍍膜腔室用于對工件鍍制膜層外層，相鄰兩腔室之間通過插板閥隔開，每個腔室上都設有獨立的真空抽氣組件；

陰極及磁控濺射靶機構：包括設置在第一鍍膜腔室和第二鍍膜腔室內多對陰極/磁控濺射靶；

分立流量監測充氣機構：包括均勻布置在每個陰極/磁控濺射靶單元的磁控濺射靶四周的充氣口，以及與充氣口配套的流量控制器，在腔室靠近工件鍍膜區域處分布有監測等離子體密度的光譜監測探頭，所述的流量控制器、光譜監測探頭還均與PEM控制器和PC主機連接，并組成閉環反饋控制的所述分立流量監測充氣機構；

轉架機構：包括設置有放置待鍍膜工件的工件架的轉架，用于驅動轉架在真空鍍膜腔室機構內移動的傳動組件，以及驅動轉架在鍍膜時轉動的轉動動力組件。傳動組件可以為齒輪組件傳動、摩擦式傳動或撥桿式傳動，主要實現轉架沿腔室的直線流水線運動。

單個鍍膜腔室(包括第一鍍膜腔室和第二鍍膜腔室)、陰極/磁控濺射靶的長度為2m～3m，靶材采用拼接靶。

優選的，所述的第一鍍膜腔室為圓柱式真空鍍膜室，其內部的磁控濺射靶為圓柱磁控靶或平面磁控靶，其磁力線回路走廊方向與底座平面平行，并滿足：

當磁控濺射靶為圓柱磁控靶時，圓柱磁控靶軸線與腔體軸心線重合；

當磁控濺射靶為平面磁控靶時，平面磁控靶中心均布在圓柱形腔體的母線上。第一鍍膜腔室的腔體內徑為1m～2.5m左右。

優選的，每個陰極/磁控濺射靶單元上還設有獨立的冷卻單元；

所述的充氣口的平面與磁控濺射靶的靶材平面齊平。

所述的陰極/磁控濺射靶單元中包括基礎的平衡磁場陰極和附加的電磁線圈，在陰極/磁控濺射靶單元上還設有用于調節電磁線圈與平衡磁場陰極產生的“磁場零點”的位置的調節旋鈕。為了根據鍍膜工藝和靶基距的不同可以在平衡磁場條件下、非平衡閉合磁場條件下工作，可以設置一個調節平衡磁場與非平衡磁場的裝置，具體為在原有平衡磁場陰極的基礎上附加電磁線圈，根據電磁線圈與平衡磁場陰極的位置的不同，兩者對應產生的“磁場零度”的位置也會不同，這樣在陰極/磁控濺射靶的背面設置“磁場零點”的調節旋鈕，通過控制“磁場零點”到靶面的距離與陰極寬度的關系從而控制控濺射陰極的不同工作模式，以獲得最佳的膜層質量和鍍層厚度均勻性。(陰極寬度按設計尺寸為固定值，陰極寬度與“磁場零點”到靶面距離的相對大小是靠調節旋鈕改變磁場實現的。)

優選的，所述的真空鍍膜腔室機構還包括清洗腔室，在清洗腔室內還設有等離子清洗裝置和加熱溫控裝置；

工件鍍膜前，先在清洗腔室內完成等離子清洗和預加熱處理。清理室可以獨立配置或與第一鍍膜腔室共用一個腔體。清理室中配有等離子清洗裝置和加熱溫控裝置，其中等離子清洗裝置的離子源可以是電子回旋共振離子源、陽極層離子源、考夫曼離子源等產生強流離子束的裝置，加熱溫控裝置可采用紅外碘鎢燈加熱器、鎳絡絲電阻加熱器或高壓離子轟擊加熱，工件進入鍍膜室前完成偏壓離子清洗與烘烤處理。

優選的，所述的轉架包括固定框架，以及分別設置在固定框架兩相對邊框上的兩個轉動圓盤，在兩個轉動圓盤之間圍繞其中心軸線均勻分別有多個所述工件架，其中一個轉動圓盤上還設有行星齒輪機構，每個工件架均與所述行星齒輪機構中的一個行星輪連接，并由行星輪帶動自轉；在第一鍍膜腔室和第二鍍膜腔室內還分別設有用于驅動所述行星齒輪機構轉動的轉動動力組件。轉架上的工件架的分布半徑一般根據陰極磁控靶的到工件的距離確定，一般為0.8m～2.3m。工件價的個數根據極板大小及轉架半徑決定，一般為15～40個，相鄰的工件架的工件平面夾角為85～95度，保證最大限度的增加設備的進爐量。

更優選的，所述的傳動機構包括傳送導軌、運動滾輪、傳動齒條、主動輪和轉架運動電機，所述的傳送導軌依次穿過所述的三個腔室，所述的運動滾輪和傳動齒輪設置在所述固定框架上，其中，運動滾輪與傳送導軌配合，并帶動轉架沿傳送導軌在所述腔室內移動，所述的主動輪與傳動齒條嚙合，并由直線運動電機驅動直線運動。

采用臥式磁控濺射系統的鍍膜工藝，包括以下步驟：

(1)將安裝有待處理工件的轉架進行鍍膜前處理，再送入第一鍍膜腔室，對第一鍍膜腔室抽真空至真空度8×10^-6～1×10^-4torr，在第一鍍膜腔室內完成膜層底層和過渡層的鍍制；

(2)同時，對過渡腔室和第二鍍膜腔室抽真空至8×10^-6～1×10^-4torr，打開插板閥，將轉架移入第二鍍膜腔室，關閉插板閥，清洗第一鍍膜腔室和進行第二鍍膜腔室的鍍制膜層外層；

(3)待第二鍍膜室鍍膜工藝完成，將鍍制完成的產品取出，即完成整個鍍膜。

優選的，步驟(1)中第一鍍膜腔室鍍制底層膜層和過渡層時，陰極/磁控濺射靶的功率密度為2～10W/cm²，偏壓為-50～-300V。

優選的，步驟(2)中第一鍍膜腔室清洗時，陰極/磁控濺射靶全部開至5～10W/cm²，洗靶時間為600～2100秒。

優選的，步驟(2)中第二鍍膜腔室鍍制的膜層外層為純金屬或非晶碳層，其陰極/磁控濺射靶的功率密度為2～10W/cm²，偏壓為30～200V，鍍層時間為60～200min。

與現有技術相比，本發明具有以下優點：

(1)生產效率高：針對現有技術中的進爐量的增加引起的抽真空時間大大增加的問題，本發明通過設置特定結構的轉架，再配合三個獨立的腔室進行鍍膜，這樣，從增加進爐量和減少鍍膜準備時間等方面進行改進，而擴大了單位體積內的裝爐量，大大提高了生產效率，相比傳統的立式單一爐腔的設備生產效率提高了8～9倍。

(2)鍍膜質量高，膜層厚度均勻：針對現有技術中增加進爐量后引起的鍍膜不均勻的缺點，本發明通過采用由分立流量監測充氣系統、可調節工作模式的磁控濺射靶、等離子發射光譜監測控制儀等組成的鍍層均勻性控制系統等，有效的保證工件鍍膜時的工況的穩定性，以獲得最佳的膜層質量和鍍層厚度均勻性。

附圖說明

圖1為本發明的整體結構示意圖；

圖2為本發明的單個鍍膜腔室的結構示意圖；

圖3為本發明的陰極/磁控濺射靶的結構示意圖；

圖4為本發明的分立流量監測充氣機構的示意圖，其中，(a)為陰極/磁控濺射靶的正面示意圖，(b)為陰極/磁控濺射靶的背面示意圖；

圖5為本發明的轉架的結構示意圖；

圖6為本發明的轉架的側視示意圖；

圖中，1-1第一鍍膜腔室，1-2真空泵，1-3過渡腔室，1-4插板閥，1-5第二鍍膜室，1-6腔室門，1-7轉架公轉自轉電機，1-8陰極/磁控濺射靶單元，1-9底座，1-10腔體側壁電機，2轉架，2-1工件架，2-2行星齒輪機構，2-3主傳動軸，2-4傳動齒條，2-5運動滾輪，2-6傳動導軌，2-7主動輪，3-1冷卻單元，3-2充氣口，3-3陰極屏蔽罩，3-4磁控濺射靶材，3-5光譜監測探頭，3-6PC主機，3-7PEM控制器，3-8陰極背板固定柱，3-9分立式氣路，3-10靶材控制器。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。

實施例

如圖1和圖2所示，本實施例的一種臥式均勻性可控的燃料電池金屬雙極板連續磁控濺射設備，包括真空鍍膜腔室機構：由第一鍍膜腔室1-1、過渡腔室1-3和第二鍍膜腔室順次連接組成，第一鍍膜腔室1-1為圓柱式真空鍍膜室，其內部設有兩對陰極/磁控濺射靶材單元1-8。如圖3和圖4所示，陰極/磁控濺射靶材單元1-8在陰極背板上設有陰極背板固定柱3-8，并固定安裝在各個鍍膜腔室的腔壁上。靶材為平面磁控濺射靶材3-4，在每個靶材的四周均安置有陰極屏蔽罩3-3，陰極屏蔽罩3-3的兩側均布有可調節充氣方向及流量的充氣口3-2，每2～5個充氣口3-2組成一組，每組配備有獨立的具有控制流量功能的靶材控制器3-10，以保證在較長的腔室中等離子體密度的均勻性。在每個陰極上設有冷卻單元3-1(本實施例為水冷單元)及電源系統，在充氣口3-2的周圍設有光譜監測探頭3-5，光譜監測探頭3-5與等離子發射光譜監測控制儀(即PEM控制器3-7)相連。在第一鍍膜腔室1-1、過渡腔室1-3、第二鍍膜腔室中均設有供轉架2進行直線傳遞運動的傳送導軌，各個腔室的抽氣口與抽氣系統(即由分布在各個腔室的真空泵1-2組成的真空抽氣系統)相連。在各腔室內的傳送軌道上設有可自轉、公轉及直線傳遞的轉架2。在各個腔室之間設置有插板閥1-4，通過插板閥1-4與過渡腔室1-3的配合可以實現各個腔室內的氣氛相對獨立。整個腔體放在底座1-9上通過減震系統與地面接觸。

為保證在長度方向上磁控濺射鍍層的均勻性，本實例中包括分立流量監測充氣機構。當設備正常運行時，光譜監測探頭3-5時刻監測長度方向上等離子體強度，實時將數據傳送至PEM控制器3-7，由PC主機3-6實時閉環計算數據后反饋給PEM控制器3-7，并通過陰極背板上具有氣體流量控制及陰極工作模式調節功能的靶材控制器3-10閉環控制等離子體氣氛的穩定與均勻。(靶材控制器3-10通過分立式氣路3-9連接各充氣口3-2)陰極工作模式調節原理為：本實施例的陰極/磁控濺射靶包括基礎的平衡磁場陰極和附加的電磁線圈，在陰極/磁控濺射靶上還設有用于調節電磁線圈與平衡磁場陰極產生的“磁場零點”的調節旋鈕。為了根據鍍膜工藝和靶基距的不同可以在平衡磁場條件下、非平衡閉合磁場條件下工作，可以設置一個調節平衡磁場與非平衡磁場的裝置，具體為在原有平衡磁場陰極的基礎上附加電磁線圈，根據電磁線圈與平衡磁場陰極的位置的不同，兩者對應產生的“磁場零度”的位置也會不同，這樣在陰極/磁控濺射靶的背面設置“磁場零點”的調節旋鈕1-11，通過控制“磁場零點”到靶面的距離與陰極寬度的關系從而控制控濺射陰極的不同工作模式，以獲得最佳的膜層質量和鍍層厚度均勻性。陰極寬度按設計尺寸為固定值，陰極寬度與“磁場零點”到靶面距離的相對大小是靠調節旋鈕改變磁場實現的。

如圖5和圖6所示，為實現轉架2在不同鍍膜腔室之間的傳遞及公轉自轉，本實例中給出了一種傳動方案。傳動機構包括傳動導軌2-6、運動滾輪2-5、傳動齒條2-4、主動輪2-7，傳動導軌2-6依次穿過三個腔室，運動滾輪2-5和傳動齒輪2-4設置在固定框架上，其中，運動滾輪2-5與傳動導軌2-6配合，并帶動轉架2沿傳動導軌2-6在腔室內移動，主動輪2-7與傳動齒條2-4嚙合，并由直線運動電機(即腔體側壁電機1-10)驅動轉動。

轉架2包括固定框架，以及分別設置在固定框架兩相對邊框上的兩個轉動圓盤，在兩個轉動圓盤之間圍繞其中心軸線均勻分別有多個工件架2-1，其中一個轉動圓盤上還設有行星齒輪機構2-2，每個工件架2-1均與行星齒輪機構2-2中的一個行星輪連接，并由行星輪帶動自轉；在第一鍍膜腔室1-1和第二鍍膜腔室內還分別設有用于驅動行星齒輪機構2-2轉動的轉動動力組件。其中轉架2的自轉公轉動力組件由腔室門1-6上的轉架2公轉自轉電機1-7作為動力源，通過主傳動軸2-3和行星齒輪機構2-2實現工件架2-1的自轉和公轉。工件架2-1在轉架2上均布，相鄰工件架2-1的工件平面相互垂直。

配置基本相同的鍍膜室有兩個即第一鍍膜腔室1-1與第二鍍膜室1-5，本實施例中清洗室與第一鍍膜腔室1-1共用一個腔體，具體的工作過程為：

(1)、安裝工件至轉架2周圍均布的工件架2-1上，利用裝卸車送入第一鍍膜腔室1-1，對第一鍍膜腔室1-1抽真空至真空度3×10^-5torr；

(2)、對第一鍍膜腔室1-1的工件進行離子源偏壓清洗，離子源電壓1800V，電流0.65A，轉架2接入偏壓-500V，同時利用抽氣系統對過渡腔室1-3及第二鍍膜室1-5與抽真空至真空度3×10^-5torr。

(3)、在第一鍍膜腔室1-1中完成膜層底層及過渡層的鍍制，鍍制底層膜層時為金屬Ti靶材，靶材電流為5A，偏壓為-90V，過渡層需要在第一鍍膜腔室1-1內同時打開Ti靶和C靶電流線性過渡，Ti靶電流從5～0A，C靶電流從0～5A，過渡時間1800s。待過渡腔室1-3和第二鍍膜室1-5真空度至3×10^-5torr，打開第一鍍膜腔室1-1與過渡腔室1-3的插板閥1-4，利用電機及傳動系統將工件移入第二鍍膜室1-5，關閉插板閥1-4，同時清洗第一鍍膜腔室1-1靶材，將第一鍍膜腔室1-1的靶材全部開至5A，洗靶時間為600～2100秒。

(4)、重復(1)～(2)，在第二鍍膜室1-5內鍍制膜層外層可以為純金屬或非晶碳層，靶材電流為5A，偏壓為-60V，鍍層時間為80min，第二鍍膜室1-5鍍層未完成前可將經過(1)～(2)步鍍制完成底層和過渡層的工件連同轉架2暫存于過渡腔室1-3。

(5)、待第二鍍膜室1-5鍍膜工藝完成，將鍍制完成的產品取出，第二鍍膜室1-5的靶材采用單一材料靶材，節省了洗靶的時間，之后重復步驟(3)～(5)，不斷循環進行。

本實施例的一種臥式均勻性可控的燃料電池金屬雙極板連續磁控濺射設備，在上述5個步驟的配合循環進行下，利用抽真空與鍍膜的同時進行，底層膜層和外層膜層的同時鍍制，過渡腔室與第一、第二鍍膜腔室的配合，轉架靶基距與陰極工作模式的配合，大大提高的鍍膜效率及鍍膜的質量，鍍層高度均勻性，工件生產效率高的燃料電池金屬雙極板，非常適應工業化生產的需要。

上述的對實施例的描述是為便于該技術領域的普通技術人員能理解和使用發明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本發明不限于上述實施例，本領域技術人員根據本發明的揭示，不脫離本發明范疇所做出的改進和修改都應該在本發明的保護范圍之內。