科學材料站材料科普

#1：實驗室的碳紙你瞭解多少？

本文作者: 科學材料站Z博士。

碳紙作為平時較為接觸的材料之一，在燃料電池，材料合成，鋰電池等相關領域具有非常廣泛的應用。以下是Z博士從相關文獻中找到的三篇在碳紙上生長金屬顆粒，金屬氧化物等案例。

然而對於碳紙這種材料，你瞭解多少呢？

以下就碳紙的特性、品牌、基本參數（厚度等）、PTFE層（疏水處理）、微孔層等方面做淺顯的介紹，希望科研小白在今後的實驗中選擇碳紙更加清晰。

碳紙簡介

碳紙是一種經證明具有耐久性的碳纖維復合紙。非常適合用作催化劑背襯層。在燃料電池應用中，它可以作為編織碳佈氣體擴散層材料的經濟實惠替代品。

吸引許多客戶使用碳紙的主要原因是它重量輕，強度好。抗拉強度除以比重計算，其比強度是鐵的10倍。它的比彈性模量(用延伸率除以比重)是鐵的7倍。這些功能的組合使碳紙張成為一種尖端的輕質材料，在所有類型的燃料電池應用中它們可以取代傳統的金屬材料。

碳紙的合成過程

碳紙可以通過精煉油獲得丙烯腈，然後將丙烯腈紡絲制成紗線來制造的。然後將紡出的紗線在極高的溫度下烘烤，以去除材料中不必要的成分。

碳紙由具有高拉伸強度的碳纖維制成，通過碳纖維牢固地連接在一起，變得足夠耐用，可以用於許多燃料電池項目。且質地較好碳紙表面光滑，特別適合在其表面上做材料合成，材料包覆等。

碳紙主要特點

• 耐腐蝕性：碳紙僅由經過高溫熱處理的碳構成，因此雜質含量極低，並且具有出色的耐腐蝕性。
• 高導電性：碳纖維更牢固地與碳鍵合，從而產生更好的導電性。
• 優異的透氣性：其高孔隙率使氣體平穩地流過碳紙。
• 高強度：碳紙薄，非常結實，並具有出色的壓縮特性。
• 輕質碳纖維：碳紙經由純度很高的碳組成，雜質含量低，因此較為輕盈。
• 表面光滑：由於碳纖維沿表面方向定向，因此該材料具有非常光滑的表面，與紡織品不同，幾乎沒有不規則性。

不生銹或因疲勞而失效也使碳紙成為燃料電池項目的流行選擇。碳紙是一種可靠的材料，其特性在極端條件下保持穩定。它的重量輕，使得任何由這種材料制成的東西都明顯更省油、更靈活。此外，碳紙在鋰離子電池，催化，材料合成領域都有著廣泛的應用。近年來，碳紙的使用越來越多樣化，因為它的長期利益得到承認。

碳紙有哪些品牌？

在這裡，Z博士將主要介紹4種常用到的碳紙材料。

• 日本東麗Toray
• 臺灣碳能Cetech
• 美國AvCarb
• 德國SGL Carbon Sigracet

下面將簡要介紹各個品牌碳紙的型號及規格。

1. 東麗碳紙

數據來源：FuelCellStore官網

• 東麗公司簡介

8903c90d573addaa67542f4659eea4bd

東麗工業株式會社（Toray Industries，Inc.）是一傢總部位於日本的跨國公司，專門從事以有機合成化學，聚合物化學和生物化學技術為核心的工業產品。它的創始業務領域是纖維和紡織品，以及塑料和化學品。 該公司還涉足制藥，生物技術和研發，醫療產品，反滲透大膜，電子產品，IT產品，住房和工程以及先進的復合材料等領域。

目前，日本東麗公司提供四種不同種類的碳紙，型號和厚度如下圖標所示：

其中，TGP-H-060由於其適中的厚度（190微米）在燃料電池和材料合成領域中應用最廣泛。

• 東麗碳紙參數表

數據來源：東麗官網

• 親水碳紙和疏水碳紙

東麗碳紙出廠的碳紙隻有以上四種生碳紙“raw carbon paper”，它們未經PTFE處理，具有一定的親水性，常被大傢稱為”親水碳紙“。

然而，在一些實驗條件下，需要碳紙本身具有一定的防水特性，即”疏水碳紙“。這時候就需要對東麗碳紙經行PTFE處理，使其表面包覆一層PTFE疏水層，其PTFE含量可以有1wt-50wt%。事實證明，基材的PTFE含量為5wt％足以獲得明顯的疏水性，因此5wt%PTFE處理被視為標準（standard）工藝。

由於東麗公司出廠的隻有生碳紙，如需疏水碳紙則要通過其它途徑（如國內的某寶）進行購買，對此一定要問清楚是親水還是疏水，因為無論是親水還是疏水東麗碳紙都隻有以上四種型號，當然最重要的是碳紙的質量瞭。在這裡，Z博推薦2個國外較為知名的供應商：FuelCellStore (http://www.fuelcellstore.com)，fuelcellsetc (http://www.fuelcellsetc.com)，其中FuelCellStore成立於1999年，總部位於著名的德州奧斯汀分校校園內。

註：科學材料站為美國Dioxide Materials和美國FuelCellStore中國獨傢代理，官方網址：www.scimaterials.cn.

2.臺灣碳能碳紙

數據來源：科學材料站官網

• 碳能科技簡介

碳能科技CeTech成立於2006年9月，主要研發與生產銷售氣體擴散層(‬Gas Diffusion Layer, ‬GDL)‬，即碳纖維紙與碳纖維佈

臺灣碳能碳紙是目前應用較為廣泛，且是東麗碳紙很好的替代品之一，碳能的碳紙型號較為豐富。

這裡首先介紹的是不含微孔層（MPL）及無PTFE處理的碳紙，該系列產品厚度在90-310微米間，其型號和厚度如下：

9aec30f7b47900c6d6d1ecd8dfb93fae

• 碳能N0S及GDS系列碳紙參數表

數據來源：碳能

數據來源：碳能

對於疏水碳紙，臺灣碳能在出廠時就有做疏水處理和微孔層處理，這一點很好的滿足瞭燃料電池用戶的需求，該系列（GDL）產品每種型號對應厚度都比GDS系列產品增加30微米，Z博士猜測GDL系列的碳紙有可能是直接在GDS系列的碳紙上塗以PTFE和微孔層獲得的（有待考證），之後的材料科普中我們會介紹PTFE和微孔層的塗覆工藝。

帶有疏水層和微孔層的碳紙型號及厚度如下：

• 碳能N1S及GDL系列碳紙參數表

數據來源：碳能

數據來源：碳能

3.美國AvCarb

9c3cfdfc4e3d9f3f4d72658599b88409

• 關於AvCarb碳紙

數據來源：AvCarb

AvCarb碳纖維紙由使用多孔碳基質粘合在一起的高純度碳纖維組成。該材料以卷狀的形式出廠，用於苛刻的電化學應用，包括特種電池，燃料電池和電解槽。AvCarb碳纖維紙具有無與倫比的能力，能夠滿足電化學應用的嚴格要求，包括催化劑和微孔層載體，有效的氣體和液體傳輸以及在腐蝕性和高溫環境下的熱和電傳導。 經PTFE處理的碳纖維紙可用於需要防水性的應用中。

• AvCarb碳紙型號

AvCarb碳纖維紙有EP40，P75，EP55三種型號的基底，而EP40T，P75T和EP55T是對這三種碳纖維紙經過PTFE疏水處理後得到的，AvCarb同樣對碳紙經行原廠的疏水處理，其PTFE含量一般在5-35wt%。需要註意的是AvCarb該系列碳紙均沒有微孔層！這裡就不過多介紹其其它系列型號碳紙，如感興趣可私信我們的官方微信咨詢Z博士哦。

• AvCarb碳紙參數表

數據來源：AvCarb

4.德國SGL Carbon

數據來源：SGL Carbon

• 關於SGL Carbon

SGL Carbon 是一傢位於德國的歐洲公司。 它是世界領先的碳材料產品制造商之一。 該公司的產品范圍涵蓋碳和石墨材料、解決方案、碳纖維和復合材料等。SGL Carbon在全球擁有29個生產基地（歐洲16個，北美8個，亞洲5個），並在100多個國傢/地區設有服務網絡，是一傢全球運營的公司。 公司總部位於德國威斯巴登。

• SGL Carbon復雜的碳紙體系

SGL Carbon生產的碳紙得到業界廣泛認可。然而由於其碳紙種類繁多，分類體系也較為復雜。以下就以其中一種（Sigracet 10）介紹一下SGL Carbon的分類規則：

數據來源：fuelcellsetc官網

AA：無PTFE層無微孔層。該型號的碳紙為SGL Carbon的生（raw）碳紙，用於後續的處理或直接使用。

BA：有PTFE層無微孔層。該型號的碳紙隻經過PTFE處理。SGL Carbon的MPL通常包含5％到25％的PTFE， 該MPL組成已被確定為在廣泛的操作條件下PEMFC性能的最佳比例。

BB：有PTFE層有微孔層。該型號的碳紙經過PTFE疏水處理和塗覆有一層MPL（微孔層）

BC：有PTFE層有微孔層。BC型號相較於BB型號，單位面積質量有所增加，透氣性和孔隙率都有所降低。Z博士查找瞭相關資料，並沒能得出BC與BB在工藝處理上的其它差異，如有相關專業人士對此有更多瞭解，可以在下方的【在看】中發表評論，或私信我們的官方微信以便在後續的介紹中解答此問。

根據可查數據，我們總結瞭部分生碳紙（raw carbon paper）的型號與厚度圖表，然而並沒有看出SGL Carbon的分類依據是什麼，太深奧瞭~~~

與最常用到的東麗碳紙Toray TGP-H-060（190微米厚度）相比，SGL Carbon的24AA-29AA似乎是很好的替代品，這類產品在燃料電池電堆廠等場景下具有更為廣闊的應用前景。

以上是Z博士總結的一些有關碳紙的科普知識，希望對相關人員有用，如有問題請聯系我們。我們誠摯地邀請對材料感興趣的朋友們踴躍投稿，分享優質的材料科普文章。如對特定的材料感興趣，亦可聯系我們，我們將對讀者十分感興趣的材料進行科普介紹。

【版權聲明】

1) 本文僅代表原作者觀點，不代表本平臺立場，請批判性閱讀。

2) 本文內容若存在版權問題，請聯系我們及時處理。

3) 本文版權歸科學材料站公眾號所有，翻版必究。

4）投稿或兼職作者請聯系我們的官方微信或郵件發送至contact@scimaterials.cn