Ti-Al-C 薄膜作為質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）金屬雙極板表面改性材料，其導(dǎo)電性能直接影響電池堆的輸出效率，電阻率是評估該性能的核心指標(biāo)。本文基于中頻磁控濺射制備的 Ti-Al-C 薄膜，采用Xfilm埃利四探針技術(shù)對不同基底（不銹鋼 316L、石英片）、不同制備溫度（500-750℃）的薄膜電阻率進(jìn)行測量，分析溫度對薄膜電阻率的影響規(guī)律，為 Ti-Al-C 薄膜在燃料電池雙極板領(lǐng)域的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

四探針測試原理圖

四探針法通過在薄膜表面布置四根等間距探針，在外側(cè)兩探針間通入恒定電流I，測量內(nèi)側(cè)兩探針間的電勢差V23，結(jié)合薄膜厚度d，利用薄層電阻公式計(jì)算電阻率：

該方法能有效避免接觸電阻的影響，適用于不同基底上薄膜的面內(nèi)電阻率測量。實(shí)驗(yàn)中采用四探針測試儀，探針間距為1 mm，測試電流為10 mA，分別在不銹鋼和石英片基底上進(jìn)行測量，以排除基底導(dǎo)電性對測試結(jié)果的干擾。

實(shí)驗(yàn)方案

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采用中頻磁控濺射技術(shù)，以TiAlC（44%/17%/39%）為靶材，在不銹鋼316L 和石英片基底上制備Ti-Al-C 薄膜。先沉積Ti 過渡層提升結(jié)合力，再于500-750℃設(shè) 6 個(gè)溫度梯度，每組濺射3h、保溫 30min 后以 5℃/min 降溫。采用四探針測試儀測量電阻率，探針間距1mm，施加恒定小電流避免樣品發(fā)熱。為排除干擾，分別測試雙基底薄膜，不銹鋼基底電阻率約7.1×10??Ω?m，用于對比。

不銹鋼基底的Ti-Al-C薄膜電阻率

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不銹鋼基底不同溫度下薄膜的電阻率

不銹鋼基底上Ti-Al-C 薄膜的電阻率均處于10??~10??Ω?m量級，與不銹鋼及部分合金電阻率相當(dāng)。

500℃時(shí)薄膜電阻率最高，主要因該溫度未達(dá)到Ti?AlC MAX 相成相條件，薄膜以TiC 等雜質(zhì)相為主，導(dǎo)電性能較差；

隨著溫度升高至550℃，電阻率顯著下降，隨后在550-750℃范圍內(nèi)保持小幅下降趨勢。

這一變化與XRD 表征結(jié)果一致，溫度升高促進(jìn)Ti?AlC MAX 相成相，提升薄膜導(dǎo)電性，但高溫下Al 元素蒸發(fā)導(dǎo)致少量雜質(zhì)相殘留，使得電阻率未持續(xù)大幅降低。

石英片基底的Ti-Al-C薄膜電阻率

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石英片基底不同溫度下薄膜的電阻率

石英片為絕緣基底，可完全排除基底對電流的分流作用，測量結(jié)果更能反映薄膜本身導(dǎo)電特性：

石英片上薄膜電阻率整體高于不銹鋼基底，但仍呈類似變化趨勢。

700℃時(shí)電阻率最低（5.7×10?? Ω·m），與不銹鋼基底結(jié)果一致，驗(yàn)證了溫度對薄膜本征導(dǎo)電性的影響。

550℃薄膜電阻率最高（1.2×10?? Ω·m），進(jìn)一步證實(shí)低溫下MAX相形成不充分。

溫度對電阻率的影響機(jī)制

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溫度通過影響薄膜相組成調(diào)控電阻率：低溫（≤600℃）下，Ti?AlC MAX 相難以成相，薄膜以高電阻率的 TiC 雜質(zhì)相為主，導(dǎo)致整體電阻率較高；中高溫（650-700℃）時(shí)，溫度提供足夠能量促進(jìn)MAX 相成相，薄膜中導(dǎo)電優(yōu)良的 MAX 相占比提升，電阻率顯著下降；750℃時(shí)，高溫導(dǎo)致Al 元素蒸發(fā)，Ti:Al 比例偏離成相最佳值，雜質(zhì)相略有增加，電阻率小幅回升。

綜上，四探針法可準(zhǔn)確測量Ti-Al-C 薄膜的電阻率，且通過選用絕緣基底（如石英片）能有效排除基底導(dǎo)電性干擾，獲得薄膜真實(shí)導(dǎo)電特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，制備溫度對Ti-Al-C 薄膜電阻率影響顯著，700℃時(shí)薄膜電阻率最低，導(dǎo)電性能最優(yōu)，符合燃料電池雙極板表面改性的導(dǎo)電要求。

Xfilm埃利四探針方阻儀

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Xfilm埃利四探針方阻儀用于測量薄層電阻（方阻）或電阻率，可以對最大230mm 樣品進(jìn)行快速、自動(dòng)的掃描， 獲得樣品不同位置的方阻/電阻率分布信息。

• 超高測量范圍，測量1mΩ~100MΩ
• 高精密測量，動(dòng)態(tài)重復(fù)性可達(dá)0.2%
• 全自動(dòng)多點(diǎn)掃描，多種預(yù)設(shè)方案亦可自定義調(diào)節(jié)
  
• 快速材料表征，可自動(dòng)執(zhí)行校正因子計(jì)算

基于四探針法的Xfilm埃利四探針方阻儀，憑借智能化與高精度的電阻測量優(yōu)勢，可助力評估電阻，推動(dòng)多領(lǐng)域的材料檢測技術(shù)升級。