原子层沉积结合等离子体处理制备α-Fe2O3/Al2O3复合涂层及其氢阻隔性能研究

为解决氢能源领域结构材料的氢渗透问题，西安交通大学研究人员通过原子层沉积(ALD)和氧等离子体处理，在T91钢基底上成功制备了以α-Fe2O3为模板层的复合氢同位素阻隔涂层(HIPB)。该研究创新性地利用α-Fe2O3的模板效应将α-Al2O3形成温度降至650°C，其氢渗透阻力优于传统涂层，为低温制备高性能阻氢涂层提供了新思路。

　　

氢能作为清洁能源的代表，其储存和运输过程中存在一个致命隐患——氢原子因其极小的半径（约0.053nm）极易穿透金属结构材料。这种渗透不仅会导致能源损耗，更可能引发氢脆、爆炸等安全事故。在核聚变反应堆等极端环境中，氢同位素的渗透问题尤为突出。为此，科学家们开发了氢同位素阻隔涂层(HIPB)，其中α-Al₂O₃因其优异的阻氢性能和高温稳定性被视为理想材料。但传统制备方法需要1000°C以上的高温，这会对结构材料造成不可逆损伤，成为制约其应用的"卡脖子"难题。

西安交通大学材料科学与工程学院的研究团队独辟蹊径，选择了一种鲜少被关注的氧化物——α-Fe₂O₃作为突破口。这种与α-Al₂O₃具有相同刚玉结构的氧化物，不仅可以通过钢材原位氧化轻松获得，更能作为模板诱导α-Al₂O₃低温形成。研究人员在《International Journal of Hydrogen Energy》发表的研究中，创新性地将原子层沉积(ALD)技术与氧等离子体处理相结合，在650°C的"低温"条件下成功制备出α-Fe₂O₃/Al₂O₃复合涂层，其阻氢性能超越以往报道的所有HIPB材料。

关键技术包括：采用原子层沉积在T91钢基底上精确控制Al₂O₃薄膜生长；通过调节氧等离子体功率实现离子轰击能量调控；利用密度泛函理论(DFT)计算界面氢吸附能；采用电化学测试和气体渗透法评价涂层性能。

【样品制备】
研究选用工业级T91钢作为基底，通过ALD沉积108nm厚Al₂O₃薄膜后，采用300W氧等离子体处理并在650°C退火。值得注意的是，等离子体产生的离子轰击不仅提供额外能量，其诱导的微缺陷还能在退火时释放能量，协同α-Fe₂O₃的模板效应，使α-Al₂O₃形成温度降低近400°C。

【形貌与物相】
TEM分析首次观察到α-Fe₂O₃(104)/α-Al₂O₃(104)的晶体学取向关系，界面处晶格匹配度达92.3%。XRD显示等离子体处理后的样品出现明显的α-Al₂O₃(104)特征峰，而未处理样品仅为非晶态。

【氢渗透性能】
气体渗透测试表明，复合涂层的氢渗透降低因子(Permeation Reduction Factor, PRF)达到487，是单层Al₂O₃涂层的6.2倍。DFT计算揭示界面处氢吸附能高达-3.21eV，证明氢原子会被强烈捕获在Fe-O-Al键合区域。

【结论与意义】
该研究实现了三大突破：首次利用钢材自身氧化的α-Fe₂O₃作为模板层；创下α-Al₂O₃低温制备(650°C)的新纪录；复合涂层的PRF值刷新行业纪录。这项工作不仅为氢能装备提供了新型防护涂层，其"基底自生模板+等离子体辅助"的创新策略，更为其他功能涂层的低温制备提供了普适性方法。正如通讯作者Ping Huang教授指出，这项技术有望应用于核聚变堆第一壁材料、氢燃料电池双极板等关键领域，推动氢能产业安全发展。