质子交换膜燃料电池 (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFCs) 因其能量转换效率高、环境友好等优点，在交通和固定电源领域备受关注。双极板 (Bipolar Plates, BPs) 是其关键部件之一，占电堆总质量和成本的很大比例。金属双极板 (如不锈钢) 导电性好、机械性能优异，但在PEMFCs的酸性工作环境中易被腐蚀，且表面形成的钝化膜会显著增加界面接触电阻 (ICR)，降低电池性能。因此，需要对其进行表面改性。非晶碳 (α-C) 涂层因其高化学稳定性和导电性成为研究热点，但纯α-C涂层通常存在高内应力和结构缺陷。研究表明，掺杂金属元素 (如Ti) 能有效降低内应力并提升导电和耐腐蚀性能。射频磁控溅射是制备此类涂层的常用方法，溅射功率是关键工艺参数，可调控涂层成分和微观结构。

来自天津大学等的研究人员利用射频磁控溅射技术，在不同溅射功率下 (75, 100, 125, 150 W) 在SS316L不锈钢基体上制备钛掺杂的TiC/α-C复合涂层，探究溅射功率对涂层微观结构、成分、电化学性能和界面接触电阻的影响，以优化涂层的综合性能，为PEMFCs双极板提供兼具高耐腐蚀性和低界面接触电阻的保护涂层。相关成果于2026年2月22日以“Sputtering power-dependent microstructure and corrosion behavior of Ti-doped TiC/α-C coatings for PEMFC bipolar plates”为题发表在《Surface & Coatings Technology》。

涂层制备：采用射频磁控溅射系统，以化学计量比TiC靶材 (纯度99.9%) 在SS316L基体上沉积TiC/α-C复合涂层。沉积前先沉积一层薄的纯Ti中间层以增强结合力。沉积温度为300°C，背景压力为0.5Pa，通过改变射频溅射功率 (75, 100, 125, 150 W) 制备了四个样品，分别命名为RF75, RF100, RF125, RF150。

图1. 用于测量界面接触电阻的实验装置示意图。

图2. (a-h) RF75、RF100、RF125和RF150涂层的表面和截面形貌。(i-l) RF75、RF100、RF125和RF150涂层的原子力显微镜图像。

图3. RF75、RF100、RF125和RF150涂层的X射线光电子能谱分析：(a) 全谱，(b) C和Ti的原子浓度，(c) C 1s的高分辨率谱，(d) Ti 2p的高分辨率谱。

图4. RF75、RF100、RF125和RF150涂层的拉曼光谱：(a) 原始数据，(b) D峰和G峰的强度比 (ID/IG)。

图5. RF125样品的横截面高分辨率透射电子显微镜图像：(a) 整体结构，(b) 表面区域，(c) 内部区域，(d) 图(c)中黄色虚线框区域的快速傅里叶变换图。

图6. (a) SS316L基体和RF75、RF100、RF125、RF150涂层在不同压缩压力下的界面接触电阻变化曲线。(b) 界面接触电阻、表面粗糙度 (Rq) 和拉曼ID/IG值与溅射功率的关系。

图7. (a) SS316L、(b) RF75、(c) RF100、(d) RF125、(e) RF150涂层的水接触角光学图像。(f) 接触角随溅射功率的变化。

图8. SS316L基体和RF75、RF100、RF125、RF150涂层在开路电位下浸泡1小时后的电化学阻抗谱：(a) 波特-幅值图，(b) 波特-相位图，(c, d) 奈奎斯特图，(e) SS316L的等效电路模型，(f) 涂层的等效电路模型。

图9. SS316L基体和RF75、RF100、RF125、RF150涂层在模拟PEMFC环境中的极化曲线：(a) 动电位极化曲线，(b) 从动电位极化曲线提取的腐蚀电流密度 (icorr)。(c) 在0.86 V (vs. Ag/AgCl) 下恒电位极化12小时的电流-时间曲线。(d) 在1.8 V (vs. Ag/AgCl) 下恒电位极化1小时的电流-时间曲线。(e) 图(c)的局部放大图。(f) 图(d)的局部放大图。

图10. RF75、RF100、RF125和RF150涂层在1.8 V (vs. Ag/AgCl) 恒电位极化1小时后的表面形貌扫描电子显微镜图像：(a, e) RF75, (b, f) RF100, (c, g) RF125, (d, h) RF150。

研究结果表明，提高溅射功率能有效增加涂层中钛（Ti）的掺杂量和TiC的形成，从而显著提高非晶碳基体中sp2杂化碳的比例，这不仅提升了涂层的导电性，还增强了其化学稳定性。具体而言，在最优工艺条件（150W，300°C）下制备的涂层展现出优异的综合性能：其腐蚀电流密度低至0.35 µA·cm⁻²，在1.4 MPa组装压力下的界面接触电阻仅为8.8 mΩ·cm²（满足美国能源部的目标要求），并且具有96°的疏水接触角。

此外，涂层在模拟燃料电池工作环境（包括恒定0.86 V电压和加速老化的1.8 V高电压）下的恒电位极化测试中，均表现出稳定且优异的耐腐蚀性能。该研究证明，通过简单的单靶溅射工艺调控功率，可以有效优化Ti掺杂TiC/α-C涂层的微观结构和成分，从而协同提升其导电性、耐腐蚀性和稳定性，为开发高性能、长寿命的PEMFC双极板保护涂层提供了有效的策略和实验依据。