摘要
双极板是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心部件。传统双极板由于高昂的成本、脆性大、体积大等缺点制约了其大面积的生产应用。而金属材料易加工、导电性优良以及成本相对较低，为双极板的制备和应用提供了新的途径。然而，金属双极板在PEMFC运行环境下的耐腐蚀性能以及导电性仍不够理想，使得燃料电池在运行过程中输出性能降低。本文采用多弧离子镀技术在316L不锈钢表面上制备AlCrN、TiAlCrN金属氮化物薄膜对其进行表面改性，系统研究了316L不锈钢表面沉积AlCrN薄膜后的优化工艺参数（氮氩流量比、偏压、沉积时间），并在此优化工艺参数下制备AlCrN、TiAlCrN薄膜改性层，在模拟PEMFC环境中进行电化学性能测试、界面接触电阻分析以及不同电位下的Mott-Schottky分析，研究得到以下结果: (1)采用多弧离子镀技术在316L不锈钢基体制备AlCrN薄膜改性层，利用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)表征了AlCrN薄膜的表面与截面形貌、相结构，使用硬度计和三维轮廓仪分别测得薄膜的硬度和粗糙度。得出在316L不锈钢上制备的AlCrN薄膜改性层的优化工艺参数:氮氩流量比为0.22，偏压为-500V，沉积时间为2h。 (2)为改善薄膜的耐腐蚀性能，在上述优化工艺下制备了AlCrN、TiAlCrN两种薄膜，动电位极化曲线及EIS阻抗谱测试结果显示，在模拟PEMFC环境中，与316L不锈钢以及AlCrN薄膜相比，TiAlCrN薄膜改性层的耐腐蚀性更为优异。恒电位极化曲线测试结果得出TiAlCrN薄膜呈现出较好的稳定性。 (3)为进一步探究TiAlCrN薄膜的耐腐蚀性能，根据316L不锈钢基体、AlCrN与TiAlCrN薄膜改性层动极化曲线上的钝化区间选取4个成膜电位(0.1V、0.2V、0.3V、0.4V)，并对不同成膜电位下成膜1h后形成的钝化膜进行动电位极化测试、阻抗谱(EIS)分析和Mott-Schottky曲线检测。结果表明，在PEMFC环境中，基体与薄膜试样在0.3V成膜电位表面形成的钝化膜的腐蚀电流密度均低于其他电位，因此该成膜电位下改性双极板表现出更加优良的耐腐蚀性。
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