一种新型碳纤维纸的制备

论文摘要

燃料电池上游关键的四大材料是：双极板材料、催化剂材料、扩散层碳纤维纸（简称碳纸）材料、质子交换膜材料。其中碳纸作为燃料电池电极中的气体扩散层材料，一是要有良好的导电性；二要有优异的渗透性；三是要低的制造成本，高的性能／价格比。碳纤维是制备碳纸的主要原材料，碳纤维的石墨化程度决定着碳纸的导电性。通用的碳纤维石墨化工艺都采用管状石墨化电炉，这种石墨化方法间歇操作、热效率低，特别是技术复杂、装备昂贵。石墨化碳纤维国内一直不能批量生产，而发达国家则对我国实行严格禁运。近期国内在石墨化碳纤维（简称石墨纤维）的研制上取得了可喜的进展，石家庄新谋新科技开发有限公司独创性地开发了射频等离子法生产石墨纤维的新技术。本文使用射频等离子法制备的碳纤维制备碳纸，采用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和高分辨投射电子显微镜（HRTEM）等技术，在微米、纳米尺度下对自制的碳纸进行了表征，得出该碳纤维的石墨化度，测试了碳纸的导电性，并用图像分析法分析了该碳纸的孔隙率。测得射频等离子法制备的碳纤维石墨化度为G=19.8％，结晶碳层间距d002=0.3421nm；自制碳纸的平均表面电阻率为1.13Ω·cm-2，平均体积电阻率为0.0340Ω·cm；与自制碳纸孔隙率相关的目标比视场为0.38730；同时与日本东丽公司制备的碳纸及两种国内制备的碳纸在上述性能方面进行了比较。实验结果表明：射频法石墨纤维制备的碳纸有良好的导电性和优异的空隙率；所用原材料石墨纤维与传统电炉法制备的石墨纤维相比，成本大大降低。本研究用射频等离子法石墨纤维制备碳纸，为国内燃料电池关键材料—碳纸的产业化提供了一条新思路。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 符号说明
• 图表目录
• 第一章 前言
• 选题背景及意义
• 本文研究的主要内容
• 参考文献
• 第二章 文献综述
• 2.1 碳纸简介
• 2.2 碳（石墨）纤维简介
• 2.2.1 黏胶基碳纤维
• 2.2.2 聚丙烯腈系列碳纤维
• 2.2.3 沥青基碳纤维
• 2.3 碳纤维（石墨纤维）研究概况
• 2.4 碳纤维（石墨）的应用
• 2.4 碳纸的研究状况
• 2.4.1 上海依极科技有限公司碳纸研究状况
• 2.4.2 石油大学碳纸研究状况
• 2.5 碳纸与碳纤维的表征方法
• 2.5.1 X射线衍射分析
• 2.5.1.1 由XRD结果测定面间距及石墨化度的原理
• 2.5.1.2 由XRD结果测定晶粒大小的原理
• 2.5.2 扫描电子显微镜
• 2.5.2.1 扫描电镜像形成衬度原理
• 2.5.2.2 SEM试样制备
• 2.5.2.3 SEM应用
• 2.5.3 透射电子显微镜（HRTEM）
• 2.5.4 碳纸导电性测试
• 2.5.5 碳纸透气性测试
• 参考文献
• 第三章 实验部分
• 3.1 碳纸制备
• 3.1.1 实验用品
• 3.1.2 实验步骤
• 3.2 碳纸样品
• 3.3 碳纸的表征
• 3.3.1 碳纸的XRD分析
• 3.3.2 碳纸的导电性测试
• 3.3.3 碳纸的SEM分析
• 3.3.4 图形分析法测试碳纸的透气性
• 3.3.5 碳纸的HRTEM分析
• 参考文献:
• 第四章 结果与讨论
• 4.1 碳纸XRD分析
• 4.1.1 自制碳纸XRD分析
• 4.1.2 东丽碳纸XRD分析
• 4.1.3 加粉末碳法碳纸XRD分析
• 4.1.4 短切碳纤维法碳纸XRD分析
• 4.1.5 碳纸的XRD分析小结
• 4.2 碳纸的导电性测试
• 4.2.1 自制碳纸与东丽碳纸表面电阻率分析比较
• 4.2.2 自制碳纸与东丽碳纸体积电阻率分析比较
• 4.2.3 短切碳纤维法碳纸表面电阻率
• 4.2.4 粉末碳法碳纸表面电阻率
• 4.2.5 短切碳纤维法大学碳纸体积电阻率
• 4.2.6 粉末碳法碳纸体积电阻率
• 4.2.7 碳纸导电性小结
• 4.3 碳纸的SEM分析
• 4.3.1 单根碳纤维侧面形貌
• 4.3.2 单根碳纤维截面形貌
• 4.3.3 碳纸的表面形貌
• 4.3.4 碳纸截面形貌
• 4.4 碳纸的渗透性分析（图像分析法）
• 4.5 HRTEM分析
• 第五章 结论与建议
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况