CN101198724A - 具有贵金属外层的耐腐蚀物体 - Google Patents

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Abstract

一种物体(1)，包含：导电本体部分(2)，含有难熔金属(例如钽)的层(4)，和含有贵金属(例如铂或金)的层(6)。在这些层之间已经形成了冶金接合。由此可以避免所述难熔金属层的氧化，并由此甚至可以避免所述具有少量贵金属的物体的钝化。这降低了材料成本同时确保了所期望的耐腐蚀性能。该物体适合于用在腐蚀环境中的特别是需要大电导率时的电极。还有一种制造所述物体的方法。所述冶金接合通过加热所述物体来提供。

Description

具有贵金属外层的耐腐蚀物体
技术领域
本发明涉及一种物体，其一方面是耐腐蚀的，另一方面是导电的。此外，本发明涉及一种以有成本效益的而不危及该物体的耐腐蚀或导电性能的方式来制造这种物体的方法。根据本发明的物体用作在腐蚀环境中使用的电极是有利的。
背景技术
对于某些用途而言，提供耐腐蚀的导电表面是令人期望的。例如，当制造用于恶劣或腐蚀性的介质，例如在酸、碱、含离子的环境如氯化物等等情况下的电极时，这一点是很重要的。目前，这样的电极典型地由贵金属例如金或铂制成，或者由耐腐蚀材料例如钽、铌、钛、锆等制成，具有大约1μm-20μm厚度的贵金属外层。该外层可以使用电化学反应例如Degussa方法来涂敷，或者可以作为薄片层压到表面上。这些方法提供导电表面，并由所获得的下层材料决定耐腐蚀性。贵金属层的厚度必须足以保证该层至少基本上是紧密的，即其基本上没有针孔。如果在所述层中存在针孔，则在导电过程中难熔金属有发生氧化的危险，并且由此在贵金属层下形成氧化物膜。这一点是非常讨厌的，因为这样会导致物体表面的钝化。上述种类的电极例如已经公开于EP0679733中。
另外一种方法已经公开在GB1355797中，描述了基于基底的不耐腐蚀的电极，所述基底被具有0.5mm-1.0mm厚度的钝态金属的耐腐蚀保护层所覆盖。在其上置有贵金属导电层，目的是防止钝态层的氧化。在这种情况中，贵金属层中的针孔是可以接受的，因为腐蚀将不会在该贵金属层下发生。但是，该贵金属层仍然需要十分紧密(粘着)来避免该钝态金属在所述贵金属下面钝化。
在贵金属层非常薄的情况下，可能孔隙变得太多而无法抑制在所述钝态金属上的氧化物的形成。如果所述贵金属层较厚时，即如果贵金属层不充分粘着的话，这种情况也可能发生，但是具有粉状的外观。对于常规的应用工艺例如PVD或电沉积，这些效应在层厚度为1μm或更低时可以观察到。生产成本由此受到贵金属价格的限制，并且对于以低成本制造电极而言，贵金属的必需量成为经济上的障碍。
存在着上述方法不可适用的情况。即，例如，如果期望较高电导率的情况。此外，因为贵金属通常较昂贵，所以完全由贵金属制成电极或具有足够厚度的贵金属层的电极所需要的成本有时被认为过高。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种制造成本低廉的耐腐蚀和导电的物体。
本发明另外一个目的是提供具有较高电导率的耐腐蚀物体。
本发明的另外一个目的是提供一种制造成本低廉的可用于腐蚀环境的电极。
本发明进一步的另外一个目的是提供一种以制造成本低廉的方式制造耐腐蚀和导电物体的方法。
根据本发明的第一方面，上面的和其他的目的是通过提供一种物体来完成，该物体包含：
-导电本体部分，
-包含难熔金属或难熔金属的合金的第一层，所述第一层至少基本上覆盖所述导电本体部分的外表面，和
-包含贵金属的第二层，所述第二层至少基本上覆盖所述第一层，
其中在所述第一和第二层之间已经形成了冶金接合。
在本发明的上下文中，术语“冶金接合”应当被解释为直接的金属对金属界面。
本体部分是导电的，即其能够传导电流。由此所述物体将是导电的，并且该物体的电导率将由本体部分所选择的材料来决定。
所述物体进一步包含含有难熔金属或难熔金属合金的第一层。这样的材料是已知的耐腐蚀材料，该第一层因此提供所述物体期望的耐腐蚀性质。
因此，可以通过选择合适的用于本体部分的材料来获得期望的电导率，而无需考虑这种材料的耐腐蚀性能，这是因为所述物体将由第一层来保护(在耐腐蚀方面)。类似的，本体部分可以根据其他期望的性能来选择，例如热导率、抗拉强度、硬度等等。
最后，包含贵金属的第二层确保了所述物体的表面也是导电的。此外，该第二层防止在导电过程中难熔金属层的氧化。所述贵金属可以是例如金、铂或者任何其他合适的贵金属。
由于在第一和第二层之间已经形成冶金接合的事实，因此可以避免在贵金属层甚至具有较薄的贵金属层(这里无法保证所述层无针孔)下面的钝化。由此可以提供导电和耐腐蚀物体，其中材料成本相对于现有技术的这种物体已经被降低，这是因为所需的用来防止物体钝化的贵金属的量大大地低于现有技术的物体所需的量。这是一个大的优势。
所述本体部分优选是由金属或合金制成或包含金属或合金，例如铜、银、钛或任何其他合适种类的金属或其合金。
所述第一层可以具有2μm-200μm的厚度，例如5μm-125μm，例如10μm-50μm的厚度。在本发明的上下文中，该层的厚度应当被解释为包含难熔金属或高于特定量浓度的难熔金属合金的部分物体的厚度。在任何情况中，该第一层的厚度应当足以保护本体部分免遭腐蚀。因此，所述层厚度可以取决于打算应用的环境、在该层中存在的难熔金属和该层精确的材料成分。
所述第二层可以具有0.01μm-25μm的厚度，例如0.01μm-5μm，例如0.1μm-2μm的厚度。优选的，该第二层的厚度应当以这样的方式选择，即其足以防止所述物体的钝化，但是不超过防止钝化所必需的应当使用的贵金属。如上面提到的，这大大地降低了材料成本。
在一个实施方案中，第一层可以包含钽或钽含金。可选择的或者另外的，第一层可以包含任何其他合适的难熔金属，例如铌、钛、锆等等，和/或任何这些难熔金属的合金。
如上面所提到的，所述本体部分优选由金属或合金制成，在这种情况中，第一层优选包含难熔金属和存在于该本体部分的金属的合金。在这种具体实施方案中，所述第一层可以通过以这样的方式，即发生期望的合金化的方式在本体部分上涂敷难熔金属形成。由此提高了所述物体的耐腐蚀。此外，所需的用来确保期望的耐腐蚀性能的难熔金属的量可能低于涂敷到本体部分顶部上的单独层的情况。例如，如果所述本体部分是由钛或钛合金制成，并且如果难熔金属是钽，则钛/钽合金可以在所述本体部分的表面上形成。在这种情况中，所需的用来提供耐腐蚀层的钽的量将会低于应用到所述本体部分的单独钽层所需的量。此外，在这种情况中，在第一和第二层之间的冶金接合可以以这样的方式提供，即由于热扩散，以所述难熔金属、存在于所述本体部分的金属和存在于第二层的贵金属的合金方式来提供。因此，在一个实施例中，其中钛本体部分涂覆有钽的耐腐蚀层，并且该钽层涂覆有导电的铂顶层，低浓度的钛和铂可以存在于该第一层(钽)中而不危及第一层的导电性和保护性能。此外，顶层的金属可以存在于本体材料和/或本体材料的金属可以存在于顶层中。
本发明还包括的一种特殊情况是，当扩散已经导致第一和第二层已经完全熔合时，例如第一层的金属存在于第二层上部的情况。在这样的情况中，加工后的顶层将是合金，但是它仍然能够保护表面免于钝化。
本体部分可以具有0.01×106Ω-1cm-1-0.65×106Ω-1cm-1的电导率。
所述物体优选是电极或者形成电极的一部分。由于这种电极的导电性和耐腐蚀性能，该电极将非常适于用在恶劣的和腐蚀环境。此外，如上面提及的，相对于本领域现有的适用于这样环境的电极来讲制造成本大大地降低了。
根据本发明的第二方面，上面的和其他的物体是通过提供一种形成物体的方法来完成的，该方法包括步骤：
-提供导电本体部分，
-涂敷第一层到所述导电本体部分的表面部分，所述第一层包含难熔金属或难熔金属的合金，
-涂敷第二层到所述第一层的上面，所述第二层包含贵金属，和
-在涂敷第二层的过程中或者在涂敷第二层之后，加热至少该第二层，由此在所述第一和第二层之间形成冶金接合。
如上面所提及的，加热至少第二层，由此在第一和第二层之间形成冶金接合的步骤使得提供一种耐腐蚀和导电物体成为可能，其中所述物体在导电过程中的钝化可以以成本低廉的方式来避免。因此，材料成本可以大大地降低而不危及上面提到的性能。
因此，本发明提供一种可以应用到电极的方法，其中，贵金属层本身并非足以紧密到防止位于该贵金属层下面的层氧化的程度。通过使用足够高的温度在钝态层和贵金属层之间产生固相扩散(这里存在冶金接合)，可以在贵金属没有提供耐腐蚀性也未充分粘着的情况下获得导电性和耐腐蚀性。
加热步骤可以通过加热至少所述第二层到400℃-1500℃的温度来进行。这将最大可能的确保在所述第一和第二层之间形成冶金接合。
涂敷第二层的步骤可以使用蒸发技术来完成。这样的蒸发技术可以是，但不局限于物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)。
可选择的，所述涂敷第二层的步骤可以依靠电流电解(galvanicelectrolysis)来进行。在这种情况中，所述难熔金属优选在该电解过程中形成阴极。
可选择的，所述涂敷第二层的步骤可以以任何其他合适的方式进行，例如通过喷涂或涂敷将该第二层施加到第一层上。
根据本发明的第三个方面，上面的和其他的物体是通过提供一种防止电极上的氧化物层形成的方法来完成，该方法包含步骤：
-提供具有导电本体部分的电极，
-涂敷第一层到该电极的表面部分上，所述第一层包含难熔金属或难熔金属的合金，
-涂敷第二层到所述第一层的上面，所述第二层包含贵金属，和
-在涂敷第二层的过程中或者在涂敷第二层之后，加热至少所述第二层，由此在所述第一和第二层之间形成冶金接合，由此防止在第一层上形成氧化物层。
应当注意的是，本领域技术人员将容易理解任何在本发明的第一方面中所述特征可以同等地与本发明的第二和第三个方面相结合，任何在第二方面中所述特征可以同等地与本发明的第一和第三个方面相结合，并且任何在本发明第三个方面中所述特征可以同等地与本发明的第一和第二方面相结合。
附图说明
本发明现在将参考附图进行说明，其中：
图1表示根据本发明一个具体实施方案的物体，该物体具有本体部分和包含难熔金属的层，
图2表示图1的物体，该物体另外包含有贵金属层，和
图3表示了图1和2的物体，其中，已经在所述难熔金属层和贵金属层之间形成冶金接合。
具体实施方式
图1表示了具有导电本体部分2的物体1，该本体部分2例如由铜或银制成或者包含铜或银。在所述本体部分2的外表面3上已经施加了包含难熔金属例如钽的层4，目的是提高物体1的耐腐蚀性能。
图2表示图1的物体1。在图2中，难熔金属层4的外表面5具有包含贵金属例如铂或金的层6，目的是当施加电流到物体1时，防止难熔金属层4的氧化，由此还防止了物体1的钝化。
图3表示图1和2的物体1。在图3中，物体1已经以这样的方式进行了处理，即，在难熔金属层4和贵金属层6之间已经形成冶金接合。这具有防止甚至较薄的贵金属层6钝化的优点。由此材料成本可以大大地降低，而无需危及所期望的耐腐蚀和防止钝化方面的性能。

Claims (13)

1.一种物体，包含：
-导电本体部分，
-包含难熔金属或难熔金属的合金的第一层，所述第一层至少基本上覆盖所述导电本体部分的外表面，和
-包含贵金属的第二层，所述第二层至少基本上覆盖所述第一层，
其中在所述第一和第二层之间已经形成了冶金接合。
2.根据权利要求1的物体，其中所述第一层具有2μm到200μm的厚度。
3.根据权利要求1或2的物体，其中所述第二层具有0.01μm到5μm的厚度。
4.根据前述任何一个权利要求的物体，其中所述第一层包含钽或钽的合金。
5.根据前述任何一个权利要求的物体，其中所述导电本体部分包含金属或合金，并且其中所述第一层包含难熔金属和存在于所述导电本体部分中的金属的合金。
6.根据前述任何一个权利要求的物体，其中所述导电本体部分具有0.01×106Ω-1cm-1到0.65×106Ω-1cm-1的电导率。
7.根据前述任何一个权利要求的物体，其中所述物体是电极或者形成电极的一部分。
8.一种形成物体的方法，该方法包含步骤：
-提供导电本体部分，
-涂敷第一层到所述导电本体部分的表面部分，所述第一层包含难熔金属或难熔金属的合金，
-涂敷第二层到所述第一层的上面，所述第二层包含贵金属，和
-在涂敷第二层的过程中或者在涂敷第二层之后，加热至少该第二层，由此在所述第一和第二层之间形成冶金接合。
9.根据权利要求8的方法，其中所述加热步骤是通过加热至少所述第二层到400℃-1500℃的温度来进行的。
10.根据权利要求8或9的方法，其中所述涂敷第二层的步骤是使用蒸发技术来进行的。
11.根据权利要求8或9的方法，其中所述涂敷第二层的步骤依靠电流电解来进行。
12.根据权利要求8-11任何一个的方法，其中所述导电本体部分包含金属或合金，并且其中涂敷第一层的步骤是以这样的方式来进行，即，所产生的第一层包含难熔金属和存在于所述导电本体部分中的金属的合金。
13.一种防止在电极上形成氧化物层的方法，该方法包括步骤：
-提供具有导电本体部分的电极，
-涂敷第一层到该电极的表面部分上，所述第一层包含难熔金属或难熔金属的合金，
-涂敷第二层到所述第一层的上面，所述第二层包含贵金属，和
-在涂敷第二层的过程中或者在涂敷第二层之后，加热至少所述第二层，由此在所述第一和第二层之间形成冶金接合，由此防止在第一层上形成氧化物层。
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