不锈钢表面阻氢涂层研究进展

周池楼，何默涵，肖舒，石科军，吴昊，江赛华，陈国华，吴春明

（1 华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州510641；2 广东省安全生产协同创新中心，广东广州510640；3 广州毅昌科技股份有限公司，广东广州510663）

氢能由于其无污染、来源广泛、热值高、可再生循环等优点，被誉为当今最具有发展潜力的二次能源[1-3]。氢的储运是氢能产业化发展中的重要环节，而高压储氢因其设备结构简单、充装速度快等优点，是目前工业应用中占主导地位的储氢方式[4]。不锈钢因其出色的耐腐蚀性和塑性，常用于高压氢系统，但高压氢环境引起的塑性降低、疲劳裂纹扩展速率加快等氢脆问题，是目前高压氢系统安全面临的巨大挑战[5-6]。20 世纪70 年代末，Fowler 等[7]首次提出阻氢涂层的概念，通过在材料表面覆盖涂层，起到阻止或延缓氢渗透进入材料的作用，从而预防氢脆现象的发生。因此，不锈钢表面阻氢涂层的研究已成为氢能领域的热点问题。

本文主要介绍了不锈钢表面阻氢涂层的研究进展，从以下三个方面展开：一是典型涂层材料及制备工艺，分析了典型涂层的应用特点及阻氢性能，并探讨了部分涂层材料的阻氢机理；二是阻氢涂层性能影响因素，讨论了表面致密度、涂层与基材的结合度以及涂层厚度对涂层性能的影响；三是阻氢涂层性能评价方法，围绕涂层阻氢渗透性能评价和涂层抗氢脆性能评价展开讨论。

1 典型阻氢涂层

阻氢涂层的制备需从材料和制备工艺两方面考虑。研究较多的阻氢涂层有以下4种：氧化铬、氧化锆等氧化物涂层；碳化硅、氮化硅等硅化物涂层；氮化钛、碳化钛等钛化物涂层；铁-铝合金等铝化物涂层。常用的涂层制备工艺包括气相沉积法[8-10]、等离子喷涂法[11-12]、包埋渗铝法[13]、溶胶凝胶法[14-15]、微弧氧化[16]等。

1.1 典型涂层及制备工艺

1.1.1 氧化物涂层

氧化物涂层是指以基材氧化或涂层原位氧化制备得到的阻氢涂层，是研究最早的阻氢涂层。本节选取氧化铬、氧化锆、氧化铝3种较典型的氧化物涂层展开讨论。

氧化铬涂层的阻氢渗透性能良好，且在高温下较稳定，成为了主要研究的氧化物涂层之一。日本原子能研究所在1985 年就开始了对氧化铬涂层的研究，Takayuki 等[17]采用化学密实化涂层技术（CDC）在SS316 表面制备出氢渗透降低因子PRF（permeation reduction factor，该值代表基材渗透率与涂层渗透率之比，详见3.1.5节）高于100的氧化铬涂层，该工艺具有制备温度低、操作方便等优点，但利用这种工艺制备出的涂层表面存在孔洞。据此Kulsartov 等[18]在CDC 技术基础上加入CrPO4来填充孔洞，提高了涂层表面致密度，使涂层的PRF达到了1000 以上。近年，杨远航[19]采用新型水等离子体氧化技术制备的氧化铬涂层，表面致密性好、粗糙度小，且该工艺制备的涂层性能相比传统工艺制备的也有所提高。

氧化锆是一种相对较新的涂层材料。2011年，Hatano 等[20-21]采用溶胶-凝胶、浸镀和电化学沉积的方法在铁素体不锈钢表面制备了氧化锆涂层。其中，仅用溶胶-凝胶法得到的氧化锆涂层的PRF只有6～100，而经过电化学沉积后的涂层PRF达到了100～1000。由于溶胶-凝胶工艺制备出的涂层表面存在孔隙，采用电化学沉积技术可将孔隙修复或填补，从而提高涂层的阻氢性能。

氧化铝涂层由于其出色的阻氢性能，受到学者们的广泛关注。Serra等[22-23]利用熔融热浸铝工艺在马氏体不锈钢表面制备了氧化铝涂层，结果表明，在743K和573K下制备的氧化铝涂层其PRF分别为260 和1000。Feng 等[24-25]采用微弧氧化和低温等离子复合技术在SS316L 表面制备氧化铝涂层，其PRF 达到1000。虽然氧化铝涂层的阻氢效果较好，但常常因与不锈钢基底热膨胀系数差异较大而脱落，难以在高温环境下使用，这是氧化铝涂层面临的主要问题。

1.1.2 硅化物涂层

单质硅可与C、N 等形成共价硅化物，这些化合物通常具备高硬度、耐腐蚀及抗氧化等优点[26]。

Wang 等[27]采用离子束辅助沉积法和离子注入法在SS316L 表面得到了SiC 涂层，并在308～320℃的环境中测试其阻氢性能，结果表明SiC 涂层的PRF 达到10000，并且多层硅溅射沉积后再注入碳离子制备出的涂层具有更强的耐腐蚀性。Wu 等[28]采用射频磁控溅射技术在SS316L表面制备了SiC涂层。结果表明473K 下沉积得到的涂层，其PRF 达到200。

Vincenč等[29]研究了SiN涂层的阻氢性能。通过射频磁控溅射法在铁素体不锈钢表面制备SiN 涂层，并采用气相氢渗透法评价涂层的阻氢性能。结果表明，SiN 涂层的PRF 可达2000，但SiN 涂层对基底的要求较高。若SiN 涂层与基底的匹配度不高，其PRF 值仅为25，出现这一现象的原因是涂层表面形成了裂纹或孔洞。

1.1.3 钛化物涂层

钛化物涂层是指钛与其他元素组合形成的化合物涂层，主要包括氮化钛、碳化钛或两者的混合涂层。钛化物涂层由于其耐腐蚀性强、硬度高等优点，是涂层领域研究较多的材料之一，有学者发现钛化物涂层在阻氢方面也有优异的效果[30-31]。Checchetto 等[32]采用离子束辅助工艺在马氏体不锈钢表面沉积TiN/TiC 涂层，可有效阻止氢渗透进入基材，但较高的氢气压力会破坏涂层结构。Wang等[33]采用充填胶结工艺在马氏体不锈钢表面制备了钛涂层，之后通过高温氧化、高温氮化使试样表面形成了TiO2/TiN/TiC、TiN/Ti、TiO2/Ti 等涂层结构。结果表明TiO2/TiN/TiC 涂层的阻氢效果最好，可将稳态氢渗透电流降低至基材的0.7%，TiO2/Ti 涂层可将稳态氢渗透电流降至基材的6%，TiN/Ti 涂层可将稳态氢渗透电流降低至基材的11.5%。上述几种涂层性能存在差异的主要原因如下：TiO2/Ti表面存在较大的晶粒，且在氢渗透实验后出现松动、脱落等现象；TiO2/TiN/TiC 在形成时，填补了原有涂层表面的孔洞，使涂层表面晶体结构更加紧密。相比于TiC，TiN 涂层的表面结构更紧密、均匀，且TiN涂层阻氢性能更强，可作为今后钛化物涂层的研究重点。

1.1.4 铝化物涂层

铝化物涂层是指在基材表面附近制造一个含铝的浓度梯度，这可形成一个铝基的金属间化合物层[34]。铝化物涂层与其他金属涂层相比，最大的优势在于其较低的氢渗透率。但铝化物涂层的熔点低、热稳定性差等因素限制了其在实际工程中的应用，在金属铝中添加金属元素可适当改善上述问题。

Kalin 等[35]通过熔融热浸铝工艺在奥氏体不锈钢表面得到了含铝涂层，如FeAl3、FeAl、Fe3Al等，并研究了涂层厚度与浸铝时间和温度的关系。结果表明，700℃、5h 制备的涂层性能较好，涂层厚度为10µm，PRF达到2700。

除铁-铝合金涂层外，含铬的铝化物涂层也表现出一定的阻氢性能。Fazio 等[36]采用等离子喷涂法在马氏体不锈钢表面制备了Fe-Cr-Al 涂层。结果表明，该涂层的PRF 值为2.5，与预设的PRF 值相差较大。出现这一现象的原因很可能是由于喷涂过程中发生氧化，降低涂层质量，并使涂层与基材间的残余应力增大，增加涂层内部缺陷以致涂层脱落。

1.2 典型复合涂层

随着阻氢涂层研究的不断深入，双层或多层的复合涂层由于其出色的阻氢性能，也逐渐受到了研究者们的关注[37-39]。何迪[26]采用气相沉积法在SS316L 表面制备了氧化铬/氧化铝复合涂层，结果表明单层氧化铬涂层的PRF为24.1～116.5，单层氧化铝涂层的PRF 为94.7～246.9，而复合涂层的PRF为229.8～543.5，并且具有较高的结合度。氧化铬作为过渡层有效解决了氧化铝涂层与基材热膨胀系数失配的问题，提高了涂层的结合度，避免了氧化铝涂层开裂脱落，大幅提升了涂层阻氢性能。

在复合涂层研究方面，还有许多学者取得了相应成果[40-41]。目前，有学者提出以阻氢层/储氢层的思路制备复合涂层[42]。Tamura等[42]发现，随着涂层晶粒度减小，涂层内晶界增加，从而增大了储存空间，进一步提高涂层阻氢性能。氢在渗透进入基材的过程中需克服势垒，只有激活能较高的氢原子可以进入不锈钢内部。采用阻氢层/储氢层复合结构作为阻氢涂层，以阻氢层为“第一道防线”降低试样表面的氢浓度，选择势垒较大的材料为储氢层作为“第二道防线”[43]，捕捉穿越阻氢层的少量氢，从而提高涂层阻氢性能。

1.3 涂层渗氢模型及阻氢机理

根据氢在涂层中的扩散规律，目前运用较多的渗氢模型为以下3种，即复合扩散模型、区域缺陷模型和表面可控模型[19]，如图1 所示为3 种模型原理示意图。复合扩散模型多用于不同渗透率涂层复合在一起的情况，该模型的阻氢效果由涂层材料性能决定；区域缺陷模型是基于复合扩散模型发展出的一种模型，该模型假设氢只在涂层部分区域渗透，因此该模型中的氢渗透率受涂层与氢的有效接触面积影响；表面可控模型的氢渗透过程受氢分子在材料表面的分解和结合影响[44]。

图1 阻氢涂层中氢渗透行为模型示意图［44］

根据涂层渗氢模型，氢在涂层材料中多以原子形式扩散，而涂层阻氢机理主要有以下两种：一是通过紧密的晶体结构、稳定的原子键和金属键等降低氢原子的渗透速率和溶解度；二是利用大量的悬挂键和空位捕获氢原子，使其无法继续扩散进入基材。

第一种机理适用于金属及其氧化物涂层材料。沈嘉年等[13]发现氢在该类涂层中扩散时需要能量打破金属与金属之间、金属与氧之间的键，而这些键通常具有较高的键能，且远大于扩散氢具备的能量，因此该类涂层材料的阻氢性能较好。何迪等[26,45]发现晶体结构较致密的氧化铝涂层，其PRF高于表面结构松散的涂层。Fujita 等[46]研究氧化钇涂层时也得出该结论。

第二种机理适用于碳化硅等非金属材料。SiC中含有大量Si—键、C—键等悬挂键[47]，可对氢原子进行捕捉，且破坏Si—H键和C—H键需要能量，氢原子难以断键逃脱。Zhang等[43]发现C键可与氢原子结合形成C—H键，具有高达411kJ/mol的键能，能有效防止氢继续扩散进入基材。由于悬挂键与空位对氢原子的捕获作用，制备阻氢层/储氢层的复合涂层结构可提高阻氢涂层性能。

综上，将典型阻氢涂层总结并归纳为表1。表1列举了各类涂层材料及基材，并指出了各类涂层的优缺点。

2 涂层性能影响因素

2.1 表面致密度

致密度是涂层表面结构排列是否均匀、紧密的评价指标，多采用扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）等显微手段进行表征，通常致密度较高的涂层阻氢性能较好。何迪等[45,48]在研究氧化铝涂层时发现表面致密度不同的氧化铝涂层阻氢性能存在差异，700℃退火处理的涂层阻氢性能要优于900℃和1100℃的。对采用气相沉积法得到的氧化铝涂层分别进行700℃、900℃、1100℃温度下的退火处理。结果表明，氧化铝涂层经过700℃退火处理后，仍然保持致密的表面结构；退火温度为900℃时，涂层表面出现大量裂纹；当退火温度达到1100℃时，涂层表面出现明显的结晶形貌，并出现了涂层收缩现象。由此可见，提高涂层表面结构的致密度可有效提高涂层的阻氢性能。

表1 几种典型涂层的性能归纳

2.2 涂层与基材结合度

结合度是指涂层与基材界面的贴合程度，也是涂层使用寿命的重要影响因素，通常用结合力的大小来评价结合度的强弱。结合度低的涂层可能在长时间服役过程中脱落，导致无法实现其应有的功能。检测涂层结合度的方法包括以下几种：划痕试验法、声发射法、切向摩擦法、电子探针法等[49]。郜健[50]采用显微划痕法比较了氧化铝、氧化铝/氧化锆复合涂层的结合度。结果表明，复合涂层的结合力为8.5N，单层氧化铝的结合力为4.5N，氧化锆涂层作为过渡层起到了缓冲作用，有效缓解了氧化铝涂层脱落问题。Wu 等[28]采用声发射传感器刮擦仪测试了SiC涂层与基体的结合度，提出结合度较差是涂层阻氘性能降低的主要原因。他们在实验中发现，在473K 下沉积的SiC 涂层与基体的结合力为70N，涂层的PRF达到了200；而在673K下沉积的SiC 涂层膜基结合力仅为10N，同时涂层PRF降到3。

上述测试方法大多在空气环境中进行，而已有研究表明，氢可对涂层结合度产生影响[51]。为更准确地模拟涂层实际工况，可在高压氢环境中进行结合度测试，以获得更符合真实情况的数据。

2.3 涂层厚度

Kalin 等[35]利用熔融热渗铝的方法，通过不同制备时间在Cr18Ni10Ti表面制备了厚度分别为5µm和10µm的涂层，两种厚度的涂层PRF分别为2000和2700。Chikada 等[52]采用真空磁过滤弧沉积技术制备了不同厚度的氧化铒涂层，并采用STEM测量涂层厚度，涂层厚度介于0.3～2.6µm，研究了各厚度涂层的阻氢性能，推测在无孔无裂纹的情况下，涂层的阻氢渗透效率与涂层厚度成正比，该结论与Kalin 等[35]得到的结果一致。但基于目前的涂层材料和制备工艺，完全无孔无裂纹的涂层是很难得到的。

张华等[53]采用反应溅射法在SS316L 表面制备了厚度为45～255nm 的氧化铝涂层，结果表明，涂层表面质量、阻氢性能都随涂层厚度的增加而先上升后降低。其中，255nm厚度的涂层表面有裂纹生成，而厚度为110nm的涂层阻氢效果较好，其PRF值达到了315。Qamar 等[47]发现在高温环境下厚度过大的SiC涂层极易发生开裂。

3 涂层阻氢性能评价方法

3.1 阻氢渗透性能评价

3.1.1 电化学氢渗透法

如图2 所示为常见的电化学氢渗透装置，即Devenathan-Stachurski 双电解池装置[54]。薄片试样两侧是两个互不相通的电解池。试样右侧为阴极池，利用恒电流仪充氢，此时试样的右侧为阴极，氢离子在其表面得到电子形成原子氢，原子氢一部分结合成氢分子逸出（该现象可通过在电解液中加毒化剂缓解），另一部分进入试样。试样左侧为阳极池，通过电化学工作站在试样左侧施加恒电位，从阴极池扩散过来的氢原子全部被氧化为氢离子。电化学工作站记录氢渗透电流，最后形成氢渗透曲线。通过氢渗透曲线，根据式(1)和式(2)可计算氢扩散系数。目前，电化学氢渗透法已成为涂层阻氢渗透性能评价的重要方法之一[55-57]。

式中，D 为氢扩散系数，m2/s；L 为试样厚度，m；tb为穿越时间，即渗透曲线中拐点处切线与横轴交点对应的时间，s；t0.63为滞后时间，即渗透电流达到稳态电流值0.63倍的时间，s。

通过式(1)或式(2)计算出的扩散系数相比实际扩散系数较小，由于材料中存在的大量缺陷会捕获进入材料的氢，直到所有氢陷阱被填满[12]。若采用上述两式计算出的扩散系数不同，则表明存在沿晶界的“短路”扩散[58]。

电化学氢渗透法所需的实验设备简单，操作简便，实验成本较低，测试结果也较准确，但对于常温下扩散系数较低的材料来说，氢难以在有限时间内渗透材料，形成有效的渗透曲线[55]；此外，在实验过程中，由于试样长时间浸泡在电解液中，其表面状态可能受到影响[59]。

图2 电化学氢渗透装置

3.1.2 气相氢渗透法

气相氢渗透装置如图3所示。试样两侧是互不相通的两个高真空室，氢源提供压力恒定的氢气（在氢气喷嘴前设置钯片可提高氢气纯净度）。当氢扩散至试样右侧，氢原子可在试样右侧解吸附后结合成氢分子进入集氢室，测氢仪可实时监测氢渗透通量J（单位时间内通过单位面积的氢原子质量）[60]。该方法还可以检测不同温度下的涂层阻氢渗透性能。通过式(3)可计算渗透率。

图3 气相氢渗透检测装置［61］

气相氢渗透实验过程中，集气室中存在的氢分子会影响质谱仪对渗透氢的检测，导致检测结果存在偏差。因此，气相氢渗透法多采用氢的同位素分子作为气源，且均采用氘气作为气源[26,50,62]。

相比于电化学氢渗透法，气相氢渗透法装置较复杂，安装步骤繁琐，价格高昂。但电化学氢渗透法中含有电解液，不可在高温下（高于120℃）进行实验[63]。然而，气相氢渗透法能够测试常温下扩散系数较低的材料，且测氢仪可直接得到氢在材料中的渗透通量J，再通过式(3)计算得到渗透率P。应注意的是在高温环境下实验时，应尽量将温度控制在材料回火温度以下，避免材料组织结构发生变化。

3.1.3 氢释放法

电化学氢渗透法和气相氢渗透法的检测过程均是边充氢边监测氢的渗透行为，而氢释放法则是根据预充氢试样的放氢特征得到氢扩散系数[64]。预充氢是指通过高压氢环境、水溶液电解或熔融盐的方法将氢预先充入试样中。将预充氢处理后的试样放置在真空中，加热至恒温，通过质谱仪监测瞬时氢释放的量，得到氢浓度随时间的变化曲线。试样在恒温环境下放置一段时间后，放氢速率开始上升，随着试样中氢含量的降低，放氢速率开始降低，最终降为零。在试样的放氢初期，曲线会出现一段线性下降，通过下降段的斜率及式(4)[65]可得到材料的扩散系数。

式中，D 为氢扩散系数，m2/s；m 为线性下降段斜率；l 为试样长度，m；β1为Bessel 函数的根；d为试样直径，m。

由于下降段的斜率很难精确并统一，研究者们还未对此达成共识，因此该方法未得到广泛运用[66]。此外，预充氢过程、预充氢试样的放置时间及试样表面与空气形成氧化膜等均会对实验结果产生影响[67]。因此，实验者需结合自身需求，合理设计实验方案，减少上述因素对实验结果的影响[68]。

3.1.4 Gorsky效应法

当试样未受到外加应力时，氢在试样内部均匀分布。当试样表面受到外加应力时，即使很小的力也会产生瞬时弹性应变，此时试样内部的氢会向最大拉应力处扩散，即应力诱导扩散[69]。由于氢的长程扩散，应变随时间延长而逐渐升高，成为滞弹性应变，这就是Gorsky效应[70]。

图4 为一典型的Gorsky 效应引起滞弹性应变随时间的变化曲线。应变达到稳态需要一定的时间，延长滞弹性应变曲线的直线部分AB 段，同时延长稳态应变值的CD 段与AB 段延长线相交，相交点对应的时间称为弛豫时间τ。卸载应力后，会反向产生一个瞬时应变，随后应变值开始下降，将应变下降阶段的初期线性部分EF 延长与横轴相交，可获得弛豫时间τ。通过式(5)、式(6)计算可知扩散系数与弛豫时间τ成反比[71]，式(5)用于计算直径为d的丝状试样，式(6)用于计算厚度为L的薄板试样。

式中，D 为氢扩散系数，m2/s；d 为试样直径，m；L为试样厚度，m；τ为弛豫时间，s。

图4 Gorsky效应引起的滞弹性应变随时间变化［71］

前3种方法都与材料表面有关，氢必须穿过两相界面，因此氢的扩散行为极易受到试样表面状态的影响，而Gorsky效应法与表面无关[72]。

3.1.5 其他物理方法

除以上4种典型的扩散系数检测方法外，还有4种物理方法可用于检测扩散系数。①磁弛豫。该方法多用于测试氢在材料中的扩散激活能，且不能用于Fe 材料。②准弹性中子散射。该方法不仅可以测试材料的扩散系数，并且可检测到氢扩散的跳跃长度和方向，多用于研究氢化物中氢的扩散行为。③核磁共振。该方法可根据氢扩散过程中的自旋畸变随时间和磁场梯度变化，检测得到氢扩散系数，因此只适用于铁磁性材料。④Mossbauer 谱。氢的扩散过程中接近Mossbauer 同位素原子时，会影响该原子的平衡位置，使得其在Mossbauer 谱出现新的线条。该方法对氢浓度有较高要求，因此不适用于Fe材料[73]。

本节综合介绍了涂层阻氢渗透性能评价方法，目前运用较多的方法为电化学氢渗透法和气相氢渗透法。电化学氢渗透法通过氢渗透曲线计算得到试样氢扩散系数，而气相氢渗透法通过测氢仪可直接获得氢渗透通量，计算得到渗透率。因此，采用电化学渗透法评价时多以氢扩散系数的数量级下降程度衡量涂层性能，采用气相氢渗透法时多以PRF值衡量涂层性能，通过式(7)可计算PRF值。

式中，P基材为氢在基材中的渗透率，mol/(m·s·Pan)；P涂层为氢在带涂层试样中的渗透率，mol/(m·s·Pan)。

3.2 涂层抗氢脆性能评价

为准确地判断材料的氢脆敏感性，通常采用相对断面收缩率（relative reduction of area，RRA）作为判定指标，它代表了材料在惰性环境（如氮气、氩气等）中的断面收缩率与氢气环境/预充氢后的断面收缩率之比。美国宇航局NASA[74]依据材料的氢脆特性，将RRA分为了4个等级，如表2所示。

表2 氢脆敏感性分级

为获得材料的断面收缩率，通常采用慢速率拉伸实验，该实验具有结果准确、方便快捷且可搭配环境箱等优点。Brandolt 等[75-76]对镍涂层和钴涂层的抗氢脆性能研究表明，虽然慢速率拉伸实验引起试样形变，导致涂层开裂，但材料的氢脆现象得到缓解，这可能是因为涂层在裂纹出现之前就起到了阻氢的作用；钴涂层的抗氢脆性能优于镍涂层，且拉伸实验后，钴涂层表面的裂纹少于镍涂层。

为更好地模拟涂层在氢环境下的服役过程，采用氢环境原位拉伸实验十分必要[77]。我国标准GB/T 34542.2—2018[78]、国际标准ISO11114.4—2017[79]、ANSI/CSA CHMC1—2014[80]和SAE J2579[81]等均对高压氢系统用材料提出了非常严格的要求，高压氢系统所用材料需直接在高压氢环境下测试其力学性能，以实现高压氢侵入和应力加载的同步[82]。此外，电化学动态充氢拉伸实验也可在氢侵入的情况下提供应力加载[83]，但由于该方法会对材料的表面状态造成影响，且电化学充氢与气态氢环境引起材料氢脆的程度和作用机理存在差异，因此氢环境原位拉伸实验所得结果更符合实际情况。但氢环境原位拉伸实验所需的设备复杂且有相应的防爆要求，这也造成该方法经济成本较高。

4 结语

本文主要介绍了不锈钢表面阻氢涂层的研究进展，首先对氧化物、硅化物、钛化物和铝化物等常用涂层材料进行讨论，分析了各种涂层材料及制备工艺的优缺点；其次，从涂层表面致密度、结合度和涂层厚度等三方面论述了涂层性能的关键影响因素；最后，归纳并总结了常用的涂层性能评价方法，分析了电化学氢渗透法、气相氢渗透法、氢释放法、Gorsky效应法、电化学动态充氢拉伸实验和氢环境原位拉伸实验等方法的适用范围。

针对目前相关研究现状，为推动不锈钢表面阻氢涂层的发展，提出以下建议。

（1）加快新型涂层材料的探索。例如新型二维材料——二硫化镆，实验研究表明二硫化镆表现出较强的阻氢渗透性能。此外，部分稀有元素及其氧化物涂层表现出阻氢性能，例如氧化铒、氧化钇等，说明稀有元素在阻氢涂层领域具有潜在价值。

（2）加强复合涂层结构研究。单层阻氢涂层在实际应用中的效果还不够理想，可考虑采用复合涂层结构提高涂层阻氢性能。当前，双层涂层结构的研究已取得一定成果，但制备复合涂层仍较多采用扩散系数低的材料，对储氢性能良好的材料关注较少。已有学者研究发现，以阻氢层/储氢层复合结构去开发新型复合涂层结构，可提升涂层性能。阻氢层能有效降低氢渗透速率，同时缓解了氢在涂层内部的积累，以储氢层作为“第二道防线”，捕捉渗透进入的氢。相对于目前仅采用阻氢层阻碍氢渗透的方法，该复合结构的阻氢效果明显。因此，加强新型复合涂层结构研究十分重要。

（3）完善阻氢涂层性能评价体系。为确保涂层阻氢性能良好且能适应实际工况，全面开展阻氢涂层性能评价十分必要。由于氢环境与预充氢处理造成材料氢脆的程度与作用机理存在差异，以预充氢处理方式评价抗氢脆性能无法真实反映实际氢环境下涂层服役过程，因此必须在氢环境下进行抗氢脆性能评价。已有多项标准要求：对于高压氢系统用材料，需直接在高压氢环境下测试其力学性能。综上，加强氢环境下涂层性能评价可为涂层实际应用提供参考。

符号说明

D—— 氢扩散系数，m2/s

d—— 试样直径，m

J—— 氢渗透通量，mol/(m2·s)

L—— 试样厚度，m

l—— 试样长度，m

m—— 线性下降段斜率

n—— 氢在材料中存在形式的常数

P—— 渗透率，mol/(m·s·Pan)

P基材—— 氢在基材中的渗透率，mol/(m·s·Pan)

P涂层—— 氢在带涂层试样中的渗透率，mol/(m·s·Pan)

p—— 氢源供气压力，Pa t0.63—— 滞后时间，s

tb—— 穿越时间，s

β1—— Bessel函数的根

τ—— 弛豫时间，s