質子交換膜燃料電池（PEMFCs）作為汽車和固定應用的清潔能源技術，其商業化在很大程度上依賴于雙極板（BPPs）的開發，這些雙極板需要同時滿足成本、電導率和耐腐蝕性的苛刻要求[[1], [2], [3], [4]]。鈦（Ti）及其合金因其出色的機械強度、低密度和高體電導率而成為有吸引力的候選材料。然而，在PEMFCs的酸性（pH 2–3）、潮濕（70–80°C）和電壓波動環境中，Ti會形成一層鈍化氧化層[[5], [6], [7]]。這導致界面接觸電阻（ICR）過高，并存在腐蝕溶解的風險，從而可能破壞膜電極組件。因此，保護和導電涂層對于充分發揮鈦雙極板的潛力至關重要[[8], [9], [10]]。
非晶碳（a-C）薄膜，特別是摻雜了過渡金屬如Ti的薄膜，已被廣泛研究用于這一目的[8,11]。Ti的引入可以催化形成導電的sp2-雜化碳簇和低電阻率的TiC相，有效降低ICR[12,13]。然而，a-C:Ti單層薄膜的固有耐腐蝕性往往是一個折中問題。氮（N）共摻雜被探索用于提高化學惰性，但這通常會抑制sp2含量，盡管增強了腐蝕防護，卻反而導致ICR增加[[14], [15], [16]]。這種在均勻摻雜的a-C薄膜中導電性與耐腐蝕性之間的持續權衡，成為實現美國能源部（DOE）2025年嚴格目標（ICR <10 mΩ cm2, 腐蝕電流密度Icorr <1 μA cm?2）以實現長期穩定性能的重大障礙。
最近的研究強調了通過結構設計來規避材料性能固有矛盾的潛力[4,15,16]。先進的多層或功能分級結構已成為分離這些性能的基礎策略。有效的設計通常采用類似三明治的結構，包括一層致密的、耐腐蝕的a-C頂層、一層導電的鈦碳化合物（Ti:C）過渡層，以及一層粘附性的金屬結合層，這些層協同提供阻擋和導電功能[17,18]。性能與Ti摻雜后的微觀結構演變密切相關，這種演變促進了sp2-碳和TiC納米晶的形成，顯著降低了ICR，使其通常低于5 mΩ cm2[17,19]。然而，過量的Ti摻雜可能會形成連續的、易氧化的TiC網絡，降低耐腐蝕性[20]。因此，精確的成分控制至關重要[19,20]。進一步的創新包括引入納米級的Ti摻雜和純a-C交替層，這可以抑制缺陷、密化微觀結構，并顯著提高阻擋性能和耐久性[21]。這種納米層壓設計在啟動/關閉過程中的高電位瞬變條件下也表現出更好的韌性，而在這種條件下，簡單的雙層C/Ti涂層往往因碳氧化而失效[22,23]。各種先進結構的性能在表1中進行了總結。
傳統的交替多層結構通過堆疊具有不同功能的層（例如導電層和阻擋層）來分離性能。然而，這種具有尖銳界面的“磚塊式”堆疊可能會引入應力集中和明確的失效路徑[[24], [25], [26]]。本研究提出了一種更先進的策略，即在高功率脈沖磁控濺射（HiPIMS）過程中利用反應氣體（N2）供應的脈沖調制，動態且周期性地改變生長過程中的沉積環境。這種方法沿涂層厚度主動構建了“功能分級”的偽多層納米結構。與追求尖銳界面不同，這種方法創建了成分和鍵合狀態的梯度，提供了連續的性能過渡，從而實現了更穩健和協同的性能提升機制[27]。這些梯度結構的精確工程化，特別是通過時間控制工藝參數（如N2的開啟/關閉時機）來定義調制周期，仍然是一個關鍵的前沿領域。脈沖調制參數、所得到的梯度納米結構（例如sp2/sp3碳鍵合分布、界面擴散性）與電化學/電性能之間的基本關系尚未完全理解。
本研究使用高功率脈沖磁控濺射（HiPIMS）系統在Ti基底上制備了結構先進的a-C:Ti基涂層。采用了大面積陰極靶（高度：675 mm）。核心創新是一種新穎的動態工藝策略，其特征是N2氣體流的同步脈沖調制與行星形基底旋轉相結合。這種行星系統模擬了小批量生產條件，確保了涂層在多個基底上的均勻性和可重復性。這是在可擴展制造方面邁出的關鍵一步。該工藝不僅僅沉積交替層，而是利用間歇性的N2循環來主動“構建”具有定制性能梯度的功能分級偽多層結構。我們系統地研究了N2開啟/關閉時機的影響，這控制了導電（Ti/C富集）區和阻擋（N富集）區的周期性和厚度。研究了其對薄膜形態、碳鍵合狀態的影響，最重要的是，研究了涂層打破導電性與耐腐蝕性之間權衡的能力。這項工作建立了明確的工藝-結構-性能關系。其新穎性體現在三個方面：（1）工藝：同步的HiPIMS工藝創建了一個獨特的動態沉積環境。（2）結構：它構建了具有擴散界面的功能分級多層結構，超越了層狀設計。（3）性能：它協同打破了導電性與耐腐蝕性之間的權衡，滿足了DOE 2025年的目標。我們證明了最佳梯度設計成功分離了關鍵性能。這項研究為下一代PEMFC雙極板提供了基于動態工藝控制的可行設計范式。
