1.引言

　　钛毡（TitaniumFelt）凭借其高孔隙率（>85%）、耐腐蚀性及高温稳定性，广泛应用于质子交换膜电解槽（PEMWE）电极、燃料电池气体扩散层及高温过滤系统。为实现其导电、催化或表面防护功能，需在其三维网状结构上构建纳米级功能涂层。传统化学气相沉积（CVD）或浸渍烧结工艺存在孔隙堵塞率高、材料利用率低及能耗过大等问题。超声波喷涂技术凭借精准雾化与渗透控制能力，成为钛毡表面改性的革新方案。

　　2.钛毡涂层的关键需求与技术挑战

　　2.1钛毡基材特性

　　多级孔隙结构：平均孔径10-100μm，孔隙率85-95%，需保持孔隙连通性；

　　表面惰性：钛氧化物层导致界面结合力差，需预处理或活性涂层；

　　高温耐受性：工作温度可达300℃（电解槽环境），要求涂层热稳定性。

　　2.2涂层工艺核心挑战

　　三维均匀覆盖：在复杂孔隙内形成连续涂层，避免局部过厚/缺失；

　　纳米材料负载：Pt/IrO₂等催化剂的高效分散与锚定；

　　高温兼容性：涂层需耐受后续烧结或原位高温反应环境。

　　3.超声波喷涂技术适配钛毡的工艺创新

　　3.1雾化参数与钛毡渗透调控

　　分级雾化策略：

　　表面覆盖层：采用低频超声（30kHz）喷涂5-20μm大液滴，快速形成表面薄膜；

　　深度渗透层：切换高频超声（100kHz）生成1-5μm微滴，利用毛细作用渗入孔隙；

　　负压辅助系统：在钛毡背面施加真空（-10至-50kPa），增强浆料向孔隙内部的定向渗透。

　　3.2专用设备配置

　　多自由度机械臂：适应钛毡卷材或立体构型的复杂运动轨迹；

　　高温喷嘴模块：耐温400℃陶瓷喷嘴，支持原位热处理（如IrO₂涂层烧结）；

　　在线厚度监测：集成激光测厚仪（精度±0.1μm），实时反馈调节喷涂量。

　　4.典型应用场景与工艺案例

　　4.1PEMWE析氧电极（OER）制备

　　涂层体系：IrO₂/TiO₂复合催化剂层（载量0.5-2mg/cm²）；

　　工艺参数：

　　浆料粘度：200-800cP（含PVA粘结剂）；

　　喷涂频率：80kHz（深度渗透模式）；

　　后处理：350℃氮气氛围烧结2小时；

　　性能数据：

　　涂层覆盖率>95%，电解效率提升22%（对比浸渍法）；

　　加速寿命测试达5000小时（衰减率<3%）。

　　4.2钛毡表面导电化处理

　　功能需求：面电阻<50mΩ·cm²（燃料电池应用）；

　　材料创新：

　　浆料配方：石墨烯（2wt%）+碳纳米管（1wt%）+PTFE（5wt%）；

　　梯度喷涂：分3层调节CNT/Graphene比例（70/30→50/50→30/70），优化导电网络；

　　结果：孔隙堵塞率<8%，导电率较传统碳化涂层提升40%。

　　4.3耐腐蚀防护涂层

　　极端环境应用：酸性烟气过滤（pH1-3，200℃）；

　　涂层设计：

　　底层：纳米SiO₂致密层（厚度2μm，超声波喷涂+溶胶凝胶固化）；

　　外层：聚四氟乙烯（PTFE）疏水层（厚度5μm）；

　　效果验证：盐雾试验2000小时无腐蚀，接触角>150°。

　　5.工艺经济性与性能对比

　　实验案例：燃料电池钛毡GDL

　　工艺参数：

　　喷涂材料：炭黑/PTFE（固含量25%）；

　　层数：双面各3次喷涂（间隔干燥）；

　　性能对比：

　　孔隙率：喷涂后78%vs浸渍法65%；

　　水传输速率：12mL/(cm²·min)vs传统工艺8mL/(cm²·min)；

　　单电池性能：峰值功率密度1.4W/cm²（提升19%）。

　　6.技术瓶颈与前沿突破

　　6.1现存挑战

　　深孔渗透极限：厚度>1mm钛毡的底部涂层覆盖率不足（<70%）；

　　高温浆料限制：耐温>300℃的粘结剂体系选择有限；

　　贵金属回收：Pt/Ir等昂贵材料喷涂损耗的回收技术缺失。

　　6.2创新解决方案

　　超声-超临界复合工艺：利用超临界CO₂降低浆料表面张力，提升深孔渗透率；

　　冷喷涂集成：先超声波喷涂纳米材料，后冷喷涂微米颗粒增强结合力；

　　数字孪生优化：建立钛毡孔隙模型，通过仿真预测最佳喷涂路径与参数。

　　7.结论

　　超声波喷涂技术为钛毡功能化涂层制备提供了高精度、低成本的解决方案，尤其在保持多孔

结构完整性与提升贵金属利用率方面优势显著。随着复合工艺与智能化控制的突破，该技术有望

推动电解水制氢、高温过滤等领域的设备升级。