科学材料站材料科普#1：实验室的碳纸你了解多少？

本文作者: 科学材料站Z博士

碳纸作为平时较为接触的材料之一，在燃料电池，材料合成，锂电池等相关领域具有非常广泛的应用。以下是Z博士从相关文献中找到的三篇在碳纸上生长金属颗粒，金属氧化物等案例。

然而对于碳纸这种材料，你了解多少呢？

以下就碳纸的特性、品牌、基本参数（厚度等）、PTFE层（疏水处理）、微孔层等方面做浅显的介绍，希望科研小白在今后的实验中选择碳纸更加清晰。

1. 碳纸简介

碳纸是一种经证明具有耐久性的碳纤维复合纸。非常适合用作催化剂背衬层。在燃料电池应用中，它可以作为编织碳布气体扩散层材料的经济实惠替代品。

吸引许多客户使用碳纸的主要原因是它重量轻，强度好。抗拉强度除以比重计算，其比强度是铁的10倍。它的比弹性模量(用延伸率除以比重)是铁的7倍。这些功能的组合使碳纸张成为一种尖端的轻质材料，在所有类型的燃料电池应用中它们可以取代传统的金属材料。

1.1 碳纸的合成过程

碳纸可以通过精炼油获得丙烯腈，然后将丙烯腈纺丝制成纱线来制造的。然后将纺出的纱线在极高的温度下烘烤，以去除材料中不必要的成分。

碳纸由具有高拉伸强度的碳纤维制成，通过碳纤维牢固地连接在一起，变得足够耐用，可以用于许多燃料电池项目。且质地较好碳纸表面光滑，特别适合在其表面上做材料合成，材料包覆等。

1.2碳纸主要特点

l 耐腐蚀性：碳纸仅由经过高温热处理的碳构成，因此杂质含量极低，并且具有出色的耐腐蚀性。

l 高导电性：碳纤维更牢固地与碳键合，从而产生更好的导电性。

l 优异的透气性：其高孔隙率使气体平稳地流过碳纸。

l 高强度：碳纸薄，非常结实，并具有出色的压缩特性。

l 轻质碳纤维：碳纸经由纯度很高的碳组成，杂质含量低，因此较为轻盈。

l 表面光滑：由于碳纤维沿表面方向定向，因此该材料具有非常光滑的表面，与纺织品不同，几乎没有不规则性。

不生锈或因疲劳而失效也使碳纸成为燃料电池项目的流行选择。碳纸是一种可靠的材料，其特性在极端条件下保持稳定。它的重量轻，使得任何由这种材料制成的东西都明显更省油、更灵活。此外，碳纸在锂离子电池，催化，材料合成领域都有着广泛的应用。近年来，碳纸的使用越来越多样化，因为它的长期利益得到承认。

2. 碳纸有哪些品牌？

在这里，Z博士将主要介绍4种常用到的碳纸材料。

l 日本东丽Toray

l 台湾碳能Cetech

l 美国AvCarb

l 德国SGL Carbon Sigracet

下面将简要介绍各个品牌碳纸的型号及规格。

2.1 东丽碳纸

数据来源：FuelCellStore官网

l 东丽公司简介

东丽工业株式会社（Toray Industries，Inc.）是一家总部位于日本的跨国公司，专门从事以有机合成化学，聚合物化学和生物化学技术为核心的工业产品。它的创始业务领域是纤维和纺织品，以及塑料和化学品。 该公司还涉足制药，生物技术和研发，医疗产品，反渗透大膜，电子产品，IT产品，住房和工程以及先进的复合材料等领域。

目前，日本东丽公司提供四种不同种类的碳纸，型号和厚度如下图标所示：

其中，TGP-H-060由于其适中的厚度（190微米）在燃料电池和材料合成领域中应用最广泛。

l 东丽碳纸参数表

数据来源：东丽官网

l 亲水碳纸和疏水碳纸

东丽碳纸出厂的碳纸只有以上四种生碳纸“raw carbon paper”，它们未经PTFE处理，具有一定的亲水性，常被大家称为”亲水碳纸“。

然而，在一些实验条件下，需要碳纸本身具有一定的防水特性，即”疏水碳纸“。这时候就需要对东丽碳纸经行PTFE处理，使其表面包覆一层PTFE疏水层，其PTFE含量可以有1wt-50wt%。事实证明，基材的PTFE含量为5wt％足以获得明显的疏水性，因此5wt%PTFE处理被视为标准（standard）工艺。

由于东丽公司出厂的只有生碳纸，如需疏水碳纸则要通过其它途径（如国内的某宝）进行购买，对此一定要问清楚是亲水还是疏水，因为无论是亲水还是疏水东丽碳纸都只有以上四种型号，当然最重要的是碳纸的质量了。在这里，Z博推荐2个国外较为知名的供应商：FuelCellStore (www.fuelcellstore.com)，fuelcellsetc (www.fuelcellsetc.com)，其中FuelCellStore成立于1999年，总部位于著名的德州奥斯汀分校校园内。

注：科学材料站为美国Dioxide Materials和美国FuelCellStore中国独家代理，官方网址：www.scimaterials.cn

2.2 台湾碳能碳纸

数据来源：科学材料站官网

l 碳能科技简介

碳能科技CeTech成立于2006年9月，主要研发与生产销售气体扩散层(‬Gas Diffusion Layer, ‬GDL)‬，即碳纤维纸与碳纤维布‭(‬Carbon paper and carbon cloth)‬，以及VRB电极材料，即石墨毡‭(‬Graphite felt)‬，并于2012年10月正式推出高导热人工石墨片(Synthetic Graphite Sheet)，作为高阶智慧型手机用的导热、散热元件，已正式供货给多家国际级智慧型手机大厂。

台湾碳能碳纸是目前应用较为广泛，且是东丽碳纸很好的替代品之一，碳能的碳纸型号较为丰富。

这里首先介绍的是不含微孔层（MPL）及无PTFE处理的碳纸，该系列产品厚度在90-310微米间，其型号和厚度如下：

l 碳能N0S及GDS系列碳纸参数表

数据来源：碳能

数据来源：碳能

对于疏水碳纸，台湾碳能在出厂时就有做疏水处理和微孔层处理，这一点很好的满足了燃料电池用户的需求，该系列（GDL）产品每种型号对应厚度都比GDS系列产品增加30微米，Z博士猜测GDL系列的碳纸有可能是直接在GDS系列的碳纸上涂以PTFE和微孔层获得的（有待考证），之后的材料科普中我们会介绍PTFE和微孔层的涂覆工艺。

带有疏水层和微孔层的碳纸型号及厚度如下：

l 碳能N1S及GDL系列碳纸参数表

数据来源：碳能

数据来源：碳能

2.3 美国AvCarb

l 关于AvCarb碳纸

数据来源：AvCarb

AvCarb碳纤维纸由使用多孔碳基质粘合在一起的高纯度碳纤维组成。该材料以卷状的形式出厂，用于苛刻的电化学应用，包括特种电池，燃料电池和电解槽。AvCarb碳纤维纸具有无与伦比的能力，能够满足电化学应用的严格要求，包括催化剂和微孔层载体，有效的气体和液体传输以及在腐蚀性和高温环境下的热和电传导。 经PTFE处理的碳纤维纸可用于需要防水性的应用中。

l AvCarb碳纸型号

AvCarb碳纤维纸有EP40，P75，EP55三种型号的基底，而EP40T，P75T和EP55T是对这三种碳纤维纸经过PTFE疏水处理后得到的，AvCarb同样对碳纸经行原厂的疏水处理，其PTFE含量一般在5-35wt%。需要注意的是AvCarb该系列碳纸均没有微孔层！这里就不过多介绍其其它系列型号碳纸，如感兴趣可私信我们的官方微信咨询Z博士哦。

l AvCarb碳纸参数表

数据来源：AvCarb

2.4 德国SGL Carbon

数据来源：SGL Carbon

l 关于SGL Carbon

SGL Carbon 是一家位于德国的欧洲公司。 它是世界领先的碳材料产品制造商之一。 该公司的产品范围涵盖碳和石墨材料、解决方案、碳纤维和复合材料等。SGL Carbon在全球拥有29个生产基地（欧洲16个，北美8个，亚洲5个），并在100多个国家/地区设有服务网络，是一家全球运营的公司。 公司总部位于德国威斯巴登。

l SGL Carbon复杂的碳纸体系

SGL Carbon生产的碳纸得到业界广泛认可。然而由于其碳纸种类繁多，分类体系也较为复杂。以下就以其中一种（Sigracet 10）介绍一下SGL Carbon的分类规则：

数据来源：fuelcellsetc官网

AA：无PTFE层无微孔层。该型号的碳纸为SGL Carbon的生（raw）碳纸，用于后续的处理或直接使用。

BA：有PTFE层无微孔层。该型号的碳纸只经过PTFE处理。SGL Carbon的MPL通常包含5％到25％的PTFE， 该MPL组成已被确定为在广泛的操作条件下PEMFC性能的最佳比例。

BB：有PTFE层有微孔层。该型号的碳纸经过PTFE疏水处理和涂覆有一层MPL（微孔层）

BC：有PTFE层有微孔层。BC型号相较于BB型号，单位面积质量有所增加，透气性和孔隙率都有所降低。Z博士查找了相关资料，并没能得出BC与BB在工艺处理上的其它差异，如有相关专业人士对此有更多了解，可以在下方的【在看】中发表评论，或私信我们的官方微信以便在后续的介绍中解答此问。

根据可查数据，我们总结了部分生碳纸（raw carbon paper）的型号与厚度图表，然而并没有看出SGL Carbon的分类依据是什么，太深奥了~~~

与最常用到的东丽碳纸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，这类产品在燃料电池电堆厂等场景下具有更为广阔的应用前景。

以上是Z博士总结的一些有关碳纸的科普知识，希望对相关人员有用，如有问题请联系我们。我们诚挚地邀请对材料感兴趣的朋友们踊跃投稿，分享优质的材料科普文章。如对特定的材料感兴趣，亦可联系我们，我们将对读者十分感兴趣的材料进行科普介绍。

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