【摘 要】
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质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有污染排放低、启动速度快和比功率高等优点,是当前最有发展前景的绿色高效能源之一。金属双极板是其关键零部件,在PEMFC运行环境中,双极板需要具有较高耐蚀导电性,以保证PEMFC的效率和寿命。钛基双极板具备良好的机加工性、导电性和耐腐蚀性,被视作当下金属双极板的理想材料之一。但钛基双极板在PEMFC运行环境下耐腐蚀性和界面导电性差,需要表面改性处理,改善其耐腐蚀性和
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质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有污染排放低、启动速度快和比功率高等优点,是当前最有发展前景的绿色高效能源之一。金属双极板是其关键零部件,在PEMFC运行环境中,双极板需要具有较高耐蚀导电性,以保证PEMFC的效率和寿命。钛基双极板具备良好的机加工性、导电性和耐腐蚀性,被视作当下金属双极板的理想材料之一。但钛基双极板在PEMFC运行环境下耐腐蚀性和界面导电性差,需要表面改性处理,改善其耐腐蚀性和界面导电性。因此本文采用磁控溅射镀膜技术,对钛基双极板进行碳基涂层表面改性。第一部分以占空比为研究对象,分别在20%、40%、60%和80%四组占空比工艺下进行涂层制备;第二部分对脉冲偏压进行两种递进式（递增:∨+300、∨+100、∨+60和∨+30;递减:∧-300、∧-100、∧-60和∧-30）梯度设计制备涂层。通过对涂层成分结构及性能的检测分析,得到如下研究成果:（1）对比占空比工艺下的各涂层,60%占空比下的涂层表面有良好致密度和均匀性,粗糙度最小约2.3nm。在成分方面,占空比增加有利于涂层向类石墨结构的转变,80%占空比下涂层有最高含量的sp~2类石墨结构;（2）纯钛基材经占空比工艺下碳基涂层的表面改性,均表现出疏水性。同时,60%占空比工艺下的涂层样品与碳纸的接触电阻（ICR）和腐蚀电流密度均满足美国2020 DOE指标（ICR＜10 mΩ·cm~2,i＜1μA/cm~2）;（3）与恒定偏压下的涂层相比,∨+100和∨+60两种涂层表面均匀性致密度好,粗糙度小无明显缺陷,柱状生长结构被抑制;而递减式梯度涂层总体均匀性低、粗糙度大、柱状结构明显;根据脉冲偏压作用时间和能量的差别,-50V和-350V偏压下的涂层分别具有最高的sp~3类金刚石结构和sp~2类石墨结构;（4）恒定偏压和递增式梯度偏压下的涂层表现出良好疏水性,而递减式梯度偏压下涂层相对亲水;在界面导电性方面,-350V偏压和递增式梯度偏压下的涂层样品与碳纸的ICR均满足美国2020 DOE指标。而递减式梯度偏压下的涂层,因其粗糙的表面和相对较少的sp~2类石墨结构,界面导电性较差。在耐腐蚀性方面,-350V偏压、∨+100和∨+60下的涂层样品因其良好的涂层形貌结构和表面疏水性,腐蚀电流密度均满足美国2020 DOE指标。而递减式梯度涂层形貌结构稀疏,柱状结构明显,尽管有相对较多的sp~3类金刚石稳定结构,但对于基材耐腐蚀性改善效果,整体亚于-350V偏压和递增式梯度偏压下的涂层。
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