本發(fā)明涉及一種非晶碳膜磁控濺射連續(xù)線，尤其是涉及一種用于高效制備燃料電池金屬雙極板非晶碳膜磁控濺射連續(xù)線。

背景技術：

真空鍍膜技術初現(xiàn)于20世紀30年代，四五十年代開始出現(xiàn)工業(yè)應用，工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)開始于20世紀80年代，在電子、交通、宇航、包裝、裝潢、燙金印刷等工業(yè)中取得廣泛的應用。磁控濺射作為真空鍍膜技術中的一種，通過在靶陰極表面引入磁場，利用磁場對帶電粒子的約束來提高等離子體密度以增加濺射率，實現(xiàn)了高速、低溫、低損傷濺射，具有設備簡單、易于控制、鍍膜面積大和附著力強等優(yōu)點。一般的濺射法可被用于制備金屬、半導體、絕緣體等多種材料，從而使固體表面具有耐磨損、耐腐蝕、導電等許多由于固體材料本身的優(yōu)越性能，達到提高產(chǎn)品質量、延長產(chǎn)品壽命、節(jié)約能源和獲得顯著經(jīng)濟效益的作用。

燃料電池使用氫氣作為能源，具有高效清潔的特點，在各個領域具有廣泛的應用前景。其中雙極板作為燃料電池的重要組成部分之一，其性能好壞制約著燃料電池的商業(yè)化進程。目前金屬材料因其較好的機械性能、耐腐蝕性能及低成本的優(yōu)勢，已成為燃料電池雙極板的主要材料。

僅僅金屬雙極板并不能滿足燃料電池對雙極板耐腐蝕、導電性好的性能要求，目前可通過磁控濺射技術在其表面制備一層既耐腐蝕又導電的涂層以提高金屬雙極板性能。但在涂層制備過程中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的涂層制備技術效率低，且因制備多層薄膜導致靶材污染，需頻繁洗靶進一步降低涂層制備效率。中國專利200610049197.3公開了一種連續(xù)式濺射設備，該設備由預抽室、前過渡室、濺射室、后過渡室和減壓室五個真空腔體以及進片臺、出片臺、工件架返回裝置等構成，工件架依次通過各個腔室后被輸送出機體到達出片臺，再由體外的工件架返回裝置將工件架傳輸回進片端，該設備的缺陷在于：各個腔室相互貫通，但各個腔室工藝的工作環(huán)境不同，故而無法保持不同腔室不同工藝條件，同時會造成靶材污染；中國專利zl201110149168.5公開了一種同端進出式連續(xù)濺射鍍膜設備，該設備真空腔體由相鄰且相通的預抽室和濺射室兩個真空室構成，兩個真空室之間設有隔離閥，腔室中設置有可往復傳輸工件架的傳送裝置，雖然該設備節(jié)約占地面積，但生產(chǎn)效率較低，且在濺射腔室中無法避免靶材污染的問題。因而提出一種結構合理、成本較低、可大幅提高鍍膜效率的磁控濺射連續(xù)線，以滿足實際批量生產(chǎn)中的使用要求。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種用于制備燃料電池金屬雙極板非晶碳膜磁控濺射連續(xù)線。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn)：

本發(fā)明實現(xiàn)其目的的技術構想主要有以下四個方面：

一是通過多個腔室多種靶材實現(xiàn)復合薄膜的高效率沉積；

二是在清洗、濺射腔室中增加離子源，分別用以清洗工件表面及輔助沉積薄膜；

三是提供一種可一次在各個腔室中完成相應工藝后進入下一腔室進行后續(xù)工藝的工件架及其傳送系統(tǒng)，實現(xiàn)薄膜的均勻快速沉積；

四是通過相鄰腔室之間氣動控制可開閉的隔離閥及個股腔室相互獨立的抽氣系統(tǒng)，以控制腔室真空度，用以保證各個腔室相應工藝的最優(yōu)條件，同時防止濺射粒子進入相鄰腔室造成污染。

一種用于制備燃料電池金屬雙極板非晶碳膜磁控濺射連續(xù)線，包括：

多腔室系統(tǒng)：包括依次串聯(lián)并組成整體的四個腔室：清洗加熱腔室、第一鍍膜腔室、第二鍍膜腔室和后續(xù)處理腔室，各個腔室之間相互貫通，其中，清洗加熱腔室用于清洗并預加熱待處理金屬雙極板，第一鍍膜腔室和第二鍍膜腔室用于薄膜沉積，后續(xù)處理腔室用于對薄膜沉積后的金屬雙極板進行后續(xù)工藝處理；

工件架：包括至少一個用于固定安置待處理金屬雙極板的金屬雙極板掛具；

傳送系統(tǒng)：包括用于將所述工件架依次送入/送出所述腔室的傳送機構；

抽氣系統(tǒng)：包括獨立設置在各個腔室的抽氣機構，用于控制各個腔室的真空度；

可開閉的隔離閥系統(tǒng)：設置在每相鄰的兩個腔室之間的過渡部分，并與所述腔室密封配合。

優(yōu)選的，所述的清洗加熱腔室中設有加熱裝置和至少一個用于清洗金屬雙極板表面的離子源；

所述的第一鍍膜腔室中設有至少一個離子源和均勻分布的多個金屬靶；

所述的第二鍍膜腔室內(nèi)裝有至少一個離子源和均勻分布的多個碳靶。

所述的金屬靶的靶材為cr或ti，其設有呈對稱設置的兩個；

所述的碳靶包括兩對對稱布置的非晶碳濺射靶。

優(yōu)選的，所述的第一鍍膜腔室和第二鍍膜腔室還設有可開啟的密閉門。

優(yōu)選的，所述的工件架包括底盤，以及安裝在底盤上并沿其中心軸均布的多個金屬雙極板掛具，在底盤的下表面上還設有轉動機構，所述轉動機構為由固定外齒邊、中心大齒輪和多個外圍小齒輪組成的周轉輪系結構，其中，所述中心大齒輪與底盤的中心軸同軸匹配，每個外圍小齒輪與對應連接一個金屬雙極板掛具，并帶動金屬雙極板掛具隨外圍小齒輪自轉，在固定外齒邊上還設有沿傳送機構移動的工件架導軌。

更優(yōu)選的，所述的傳送機構安裝在各腔室的底部，包括電控單元、傳送電機，以及由傳送電機帶動的傳送導軌，所述的工件架放置在傳送導軌上，并隨傳送導軌移動；

在每個腔室的底部中心位置還設有一個用于接觸驅動所述中心大齒輪的旋轉電機，在旋轉電機上還設有用于同軸度檢測傳感器。此種模式下，工件架有兩種運動形式，一種是沿腔室的處理方向，工件架在進入連續(xù)線清洗加熱腔室后，通過工件架與導軌的靜摩擦力固定在傳送導軌上，隨傳送機構運動至下一腔室；在各個腔室驅動工件架自傳的電機軸設有同軸度檢測傳感器，以確定工件底部轉軸是否與驅動其轉動的電機軸同軸進而判斷工件架是否準確的到達下一腔室，若二者同軸，則可關閉隔離閥并開啟抽氣系統(tǒng)，開始鍍膜工藝。另一種為：金屬雙極板掛具在某一腔室以腔室中心軸為公轉軸，同時進行自轉加公轉的運動，以此來保證薄膜沉積的均勻性、沉積速率，工件架通過底部行星輪系的周轉輪系進行傳動以實現(xiàn)該種運動方式。

優(yōu)選的，所述的傳送機構包括傳送導軌，和帶動所述工件架沿傳送導軌進/出腔室的動力單元，所述的傳送導軌包括帶缺口并呈環(huán)狀的腔室內(nèi)部導軌，腔室外部導軌，以及使金屬雙極板掛具沿傳送導軌方向在腔室內(nèi)部導軌和腔室外部導軌之間轉移的過渡導軌，其中，過渡導軌轉動安裝在室內(nèi)導軌的缺口處，且有兩種工作位置：一種為轉動至剛好連接腔室內(nèi)部導軌和腔室外部導軌，另一種為斷開與腔室外部導軌連接，并與腔室內(nèi)部導軌連接組合成完整環(huán)形導軌。

更優(yōu)選的，在每個腔室的底部還可以設置位于環(huán)形導軌中心位置的底部大齒輪，在每個金屬雙極板掛具的底部還設有與所述底部大齒輪咬合的底部小齒輪；

當金屬雙極板掛具送入腔室內(nèi)時，底部大齒輪旋轉，金屬雙極板掛具被帶動沿環(huán)形導軌公轉，同時圍繞自身中心軸自轉。

優(yōu)選的，所述的隔離閥系統(tǒng)包括隔離閥、氣動機構、電控系統(tǒng)和真空腔室壓力傳感器，其中，所述的隔離閥設置在相鄰腔室的過渡部分，在過渡部分處還設有沿高度方向的滑槽，所述的隔離閥與滑槽密封滑動配合，所述的氣動機構的傳動桿與所述隔離閥連接，并帶動其沿滑槽上下滑動，以實現(xiàn)開閉，所述的氣動機構和真空腔室壓力傳感器還與電控系統(tǒng)連接。

優(yōu)選的，所述的連續(xù)線還包括將工件架送入/送出多腔室系統(tǒng)的外圍傳送系統(tǒng)。

本發(fā)明的具體結構及其工作過程還可以進一步如下所示：

多腔室系統(tǒng)中，各腔室均為直徑1-1.5m、高1.5-1.8m的圓形腔室以保證薄膜沉積的均勻性及高效率，各腔室相互貫通，相鄰腔室之間設有長度0.5m的過渡部分，并在該部分設有氣動控制可開閉的隔離閥系統(tǒng)；連續(xù)線工件架入口設置在清洗加熱腔室沿連續(xù)線方向，出口設置在后續(xù)處理腔室沿連續(xù)線方向，同時在第一、第二鍍膜腔室側面分別設有密閉門，防止單個鍍膜工藝環(huán)節(jié)故障導致連續(xù)線所有環(huán)節(jié)鍍膜失敗的現(xiàn)象。

其中清洗加熱腔室，設有加熱裝置并裝有1-2個離子源。加熱裝置用以烘干金屬雙極板在進入連續(xù)線之前因清洗表面而殘留的水漬、酒精等，同時使得金屬雙極板在進入第一鍍膜腔室之前達到合適的鍍膜溫度，提高薄膜沉積質量；離子源用以清洗傳送過來的工件，清除其表面雜質及氧化膜，以增加薄膜與工件表面結合力并減少薄膜沉積過程中產(chǎn)生的缺陷。

第一、第二鍍膜腔室用于薄膜沉積。其中第一鍍膜腔室設有1-2個離子源及2個對稱布置的金屬靶，濺射靶的工作用電由總控制器提供；同時離子源在薄膜沉積過程中通過粒子對薄膜的撞擊作用，促進靶材粒子在工件表面擴散轉移，減少薄膜內(nèi)應力并提高致密性；所述的金屬靶以耐腐蝕金屬為靶材，在工件表面首先沉積一層與非晶碳及不銹鋼結合均較好的薄膜作為打底層以提高外層薄膜與工件的結合力，優(yōu)選的，本發(fā)明金屬靶以cr或ti等為靶材。第二鍍膜腔室，裝有1-2個離子源及4個對稱分布的碳靶；同樣的，濺射靶工作用電由總控制器提供，該腔室碳靶數(shù)量多，沉積速度較快，用以在沉積打底金屬層的工件表面繼續(xù)沉積導電性及耐腐蝕性較優(yōu)的非晶碳層。后續(xù)處理腔室主要用于進行薄膜沉積的后續(xù)工藝，如對沉積薄膜的金屬雙極板通過空冷的方式進行冷卻。

所述抽氣系統(tǒng)，獨立設置在各個腔室，由plc控制系統(tǒng)、維持泵、機械泵、羅茨泵、擴散泵或分子泵、真空計組成，以保證各個腔室的工藝條件，因腔體空間較大，為提高設備抽氣速率并保證較好真空度，本發(fā)明采用1-3個分子泵，優(yōu)選的，本發(fā)明以渦輪分子泵為主泵，使設備具有較快的抽氣速率及較短的啟動時間，但不局限于此，亦可采用油擴散泵或低溫泵。

所述可開閉的隔離閥系統(tǒng)，由隔離閥、plc電控系統(tǒng)、真空腔室壓力傳感器、工件架同軸度傳感器組成，隔離閥設在相鄰腔室之間的過渡部分，與腔體過渡部分頂面相連，通過氣動機構控制其開閉，所述的氣動機構的活塞桿與所述隔離閥相連，并在腔體過渡部分設有沿高度方向的滑槽，滑槽與隔離閥密封滑動配合，以防止因隔離閥的開閉導致腔體大幅漏氣。隔離閥同抽氣系統(tǒng)共同作用以維持各個腔室需要的工藝條件，其工作過程主要為，在薄膜沉積過程中，所述隔離閥處于封閉狀態(tài)，控制各個抽氣系統(tǒng)使得各室氣壓維持為相應的工藝氣壓后，開始進行粒子濺射，因隔離閥的存在，濺射粒子無法進入臨近腔室，因而可避免頻繁洗靶，提高生產(chǎn)效率，同時將各個腔室分離可提高系統(tǒng)抽氣速率并保持較好的真空度，當所有腔室進行工藝結束，通過plc控制抽氣系統(tǒng)使各個腔室氣壓相同后由氣動機構開啟隔離閥，隨后工件架通過位于腔室底部的傳送機構依次傳送至下一腔室，待工件架定位達到要求后，控制隔離閥密閉，各個腔室開始控制真空條件，真空度達到要求后隨即開始對應工藝。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明在保證沉積金屬雙極板非晶碳膜質量及較高生產(chǎn)效率的前提下，大大降低了沉積非晶碳膜陰極的數(shù)量，連續(xù)線成本因此大幅度降低；離子源的增加有利于清洗金屬雙極板表面并輔助濺射沉積薄膜，可進一步提高薄膜質量；隔離閥的設計不僅有利于維持各自工藝所需的最優(yōu)條件，且防止靶材污染進而避免頻繁洗靶，進一步提高生產(chǎn)效率。本發(fā)明制備金屬雙極板非晶碳膜生產(chǎn)效率高、薄膜質量好、成本低，對加快燃料電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有重要意義。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的軸測結構示意圖；

圖2為本發(fā)明的主視結構示意圖；

圖3為本發(fā)明的俯視結構示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例1的工件架的軸測結構示意圖；

圖5為本發(fā)明實施例1的工件架的主視結構示意圖；

圖6為本發(fā)明實施例1的傳送機構的示意圖；

圖7為本發(fā)明的實施例2的傳送機構的示意圖；

圖8為本發(fā)明的過渡導軌的變軌示意圖；

圖中，1-清洗加熱腔室，2-第一鍍膜腔室，3-第二鍍膜腔室，4-后續(xù)處理腔室，5-連續(xù)線進爐門，6-第一密閉門，7-第二密閉門，8-連續(xù)線出爐門，9-隔離閥，10-濺射靶，11-掛具a，12-底盤，13-工件架導軌，14-傳送導軌，15-工件架轉動機構，16-外圍傳送系統(tǒng)，17-清洗線，18-外圍傳送系統(tǒng)開閉門，19-底部小齒輪，20-掛具b，21-腔室外部導軌，22-過渡導軌，23-腔室內(nèi)部導軌，24-底部大齒輪，25-滾輪。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。

實施例1

一種用于燃料電池金屬雙極板高效鍍非晶碳膜的濺射連續(xù)線，包括多腔室系統(tǒng)、工件架、傳送系統(tǒng)、隔離閥，以及真空控制系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、濺射靶及真空濺射設備等常規(guī)結構，而其包括的：

多腔室系統(tǒng)如圖1-3所示，由清洗加熱腔室1、第一鍍膜腔室2、第二鍍膜腔室3和后續(xù)處理腔室4組成，在清洗加熱腔室1上設有連續(xù)線進爐門5，第一鍍膜腔室2、第二鍍膜腔室3上分別設置第一密閉門6和第二密閉門7，后續(xù)處理腔室4設置連續(xù)線出爐門8。隔離閥9設置在相鄰兩腔室的過渡部分，濺射靶10設置在第一鍍膜腔室2和第二鍍膜腔室3內(nèi)，其中，在第一鍍膜腔室中濺射靶10可由1對金屬cr或者金屬ti靶材組成，并設有1-2個離子源以輔助沉積，在第二鍍膜腔室中濺射靶10可由2對碳靶組成，并同樣設有1-2個離子源用以輔助沉積。所述的連續(xù)線還設有外圍傳送系統(tǒng)16，清洗線17和外圍傳送系統(tǒng)開閉門18(以保證工件架順利進/出多腔室系統(tǒng))。如果某一腔室(如第一鍍膜腔室2)工藝發(fā)生故障，則可控制第一腔室的真空單獨打開第一密閉門6，分析解決第一鍍膜腔室2故障，待故障排出后，關閉第一密閉門6并對第一鍍膜腔室2重新抽真空開始工藝，從而避免其余腔室金屬雙極板的浪費導致成本增加。

所述工件架，如圖4、5所示，由安置金屬雙極板的掛具a11，底盤12，工件架導軌13，工件架轉動機構15以及軸承、支撐桿等常規(guī)結構組成。工件架導軌13與工件架底盤12固定在一起。工件架轉動機構15安裝在底盤12下方，并呈周轉輪系結構。當各室底部中心處電機轉動，帶動周轉輪系中的中心大齒輪轉動，實現(xiàn)工件架以腔室中心軸為旋轉軸的公轉運動，同時周轉輪系中的外圍小齒輪隨之轉動以實現(xiàn)金屬雙極板掛具的自轉運動，從而保證薄膜沉積的均勻性。在工件架轉動機構15處裝有同軸度檢驗傳感器，以判斷工件架中心是否與腔室底部電極軸同軸，若同軸則可抽真空并進行后續(xù)工藝。

傳送系統(tǒng)，如圖6所示，由傳送電機、傳送導軌14組成，當工件架從清洗加熱腔室1入口(即連續(xù)線進爐門5)處進入腔室時，工件架導軌13與傳送導軌14接觸，并隨著傳送導軌14的傳動，工件架導軌13與傳送導軌14接觸的面積越來越多，最終二者完全接觸并進入腔室，待工件架與腔室底部中心電機轉軸同軸后停止傳送導軌14的運動，待所有腔室工藝結束后，由plc控制傳送導軌14運動以將工件架傳送至下一腔室，在此過程中，工件架依靠自身重力及其與傳送導軌的靜摩擦力保證工件架與工件傳送導軌的相對靜止。

本發(fā)明制備燃料電池金屬雙極板導電且耐腐蝕的非晶碳涂層的工作過程簡要描述是：通過外圍傳送系統(tǒng)16，在連續(xù)線進爐門5處，將懸掛有金屬雙極板的工件架(掛具a11)傳送至傳送導軌14始端，隨著傳送導軌14的運動，工件架在靜摩擦力的作用下逐漸進入清洗加熱腔室1并通過plc及傳感器定位準確，隨后關閉連續(xù)線進爐門5，控制系統(tǒng)開始抽真空，并在清洗加熱腔室1對金屬雙極板進行加熱烘干以及等離子體清洗表面氧化膜；當清洗加熱腔室1工藝結束后，對腔室進行放氣，待清洗加熱腔室1與第一鍍膜腔室2之間氣壓相差不大，通過腔室過渡部分的氣動裝置開啟隔離閥9，待隔離閥9打開后，打開連續(xù)線進爐門5，在進爐門5處放置新的工件架，同時原來在清洗加熱腔室1中的工件架在傳送導軌14的帶動下進入第一鍍膜腔室2，待兩個工件架均定位準確后，關閉連續(xù)線進爐門5及隔離閥9，隨后系統(tǒng)開始再次抽真空，待各室內(nèi)氣壓達到鍍膜要求后，各個腔室開始鍍膜工藝。待所有腔室鍍膜工藝結束后，重復放氣、打開連續(xù)線進爐門5及隔離閥9、工件架進入爐腔并準確定位、關閉連續(xù)線進爐門5及隔離閥9、抽氣、鍍膜的過程，直到工件架完成后續(xù)處理腔室4中的冷卻處理后從連續(xù)線出爐門8出爐，進入外圍傳送系統(tǒng)16卸載完成鍍膜的金屬雙極板，并重新裝載經(jīng)過清洗線清洗的未鍍膜金屬雙極板，然后將其傳送至腔室1入口(爐門5)，到此即為工藝過程的一個完整循環(huán)，整個生產(chǎn)過程即為不斷實現(xiàn)該循環(huán)的過程。

實施例2

與實施例1相比，除了工件架與傳送系統(tǒng)部分不同外，其余均一樣。本實施例的工件架和傳送系統(tǒng)設計如下：

如圖7、8所示，傳送系統(tǒng)由腔室外部導軌21、可旋轉的過渡導軌22、腔室內(nèi)部導軌23、腔室底部大齒輪24、安裝在掛具底部及頂部的滾輪25(滾輪25可以使得掛具b沿導軌順利移動)及相應的plc控制系統(tǒng)組成。工件架由以固定距離串聯(lián)置于傳送系統(tǒng)上的掛具b20組成。工作時，相鄰掛具b20以固定距離串聯(lián)在一起，腔室外部導軌21及腔室內(nèi)部導軌23固定不動，過渡導軌22可繞固定與腔室一點旋轉，其工作位置有兩種，一種為圖8中狀態(tài)22-1所示，此時腔室內(nèi)部導軌21、腔室外部導軌23由過渡導軌22連接起來，串聯(lián)的掛具b20在傳動系統(tǒng)帶動進入過渡軌道22并進入腔室內(nèi)部軌道23，待串聯(lián)掛具b所有部分均進入該腔室后，控制過渡導軌23旋轉至另一位置，即圖8中22-2位置，此時腔室內(nèi)部導軌21、腔室外部導軌23斷開，過渡導軌22使得腔室內(nèi)部導軌21形成一個完整的環(huán)形軌道。掛具b圓周分布在腔室內(nèi)部，其底部小齒輪19與腔室的底部大齒輪24形成周轉輪系，當?shù)撞看簖X輪24旋轉，掛具b在齒輪的傳動作用下圍繞腔體中心軸作公轉運動，并圍繞自身中心軸作自轉運動，從而保證鍍膜均勻性，提高薄膜質量。

本發(fā)明制備燃料電池金屬雙極板導電且耐腐蝕的非晶碳涂層的工作過程簡要描述是：通過外圍傳送系統(tǒng)16將固定相鄰距離串聯(lián)的掛具b20傳送至連續(xù)線進爐門5處，控制各個過渡導軌22旋轉與下一腔室之間導軌相接，先將后續(xù)處理腔室4中串聯(lián)掛具b20通過連續(xù)線出爐門8傳送出腔體，然后將第二鍍膜腔室3中串聯(lián)掛具傳送至后續(xù)處理腔室4，待傳送完成后再將第一鍍膜腔室2中的串聯(lián)掛具傳送至第二鍍膜腔室3中，直至將連續(xù)線進爐門5處掛具傳送至清洗加熱腔室1中后，旋轉過渡導軌22使各個腔室之間導軌斷開，關閉各個腔室密閉門及隔離閥9，控制系統(tǒng)開始抽真空，待各個腔室真空度達到要求開始鍍膜工藝，工藝完成后對腔體進行放氣，隨后打開隔離閥9、進爐門5及出爐門8，控制過渡導軌22連接傳送軌道，此即為一個工藝過程循環(huán)，連續(xù)線生產(chǎn)過程即為該循環(huán)的不斷重復。

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(fā)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(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于上述實施例，本領域技術人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進和修改都應該在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。