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科学材料站Z博士:碳布基材知多少?

阅读次数:    2021-07-15

科学材料站:碳布基材知多少?

作者:Z博士


1. 碳布基材简介

碳布基材,俗称生碳布(raw carbon cloth substrate),这有别于通常所说的亲水碳布(一般是对生碳布进行化学氧化,酸处理,以使生碳布表面携带亲水基团,如-OH, -SO3, -NO3等)、疏水碳布(一般需要在生碳布表面进行PTFE处理)、疏水微孔层碳布(先对生碳布进行PTFE疏水处理,再经过含PTFE的微孔层涂布)。碳布基材不具有亲水性,因其成分主要是碳(通常大于99wt%)和氧,且由于在生产和运输过程中表面积累粉尘,生碳布表现出弱疏水性。根据不同厂家的生产工艺,生碳布被生产出来时表现出不同的疏水程度。

碳布是一种碳纤维织物,用于制造碳纤维的原材料称为前驱体(precusor),大约 90% 的碳纤维是由聚丙烯腈 (PAN) 制成的,其余10% 由人造丝或石油沥青制成。碳布的生产一般需要经过PAN纤维碳化(88-95%含碳量)、真空烘烤(99+%含碳量),采用卷筒连续生产的方式。

在这里,科学材料站(SCI Materials Hub)鼓励和主张科研工作者在今后的科研工作中明确使用‘生碳布(Raw carbon cloth)’、‘亲水碳布(Hydrophilic carbon cloth)’、‘疏水碳布(Hydrophobic carbon cloth with 5wt% PTFE)’、‘疏水微孔层碳布(Carbon cloth with MPL)’等专业术语,以免混淆概念。在之后的文章中,我们会重点分析这四种碳布的区别。


2. 不同碳布基材系列参数对比

科学材料站-生碳布系列(CeTech/AvCarb/Panex/ELAT/Etek)

产品型号

品牌

产品代码

厚度(mm)

面密度(g/m2

尺寸(cm)

CeTech W0S1009

台湾碳能

121000

0.33

120

10 x 10

20 x20

40 x 40

50 x 50

CeTech W0S1011

121004

0.36

130

AvCarb 1071 HCB

美国AvCarb

116000

0.356

132

10*10

20*20

40*40

Panex PX30 PW03

日本东丽

1402001

0.4064

115

Panex PX30 PW06

1402002

0.508

237

ELAT HPC

美国FCS

1402003

0.406

130

Etek Cloth A

美国FCE

1402006

0.381

115

Etek Cloth B

1402007

0.508

237

Etek Cloth C

1402008

0.889

288

数据来源:科学材料站 ● SCI Materials Hub ● www.scimaterials.cn

注a:碳布基材只是相对亲水,该碳布本身为一种未经任何处理的生碳布(plain/raw carbon cloth substrate)。如需使碳布更加亲水,需对其进行后期处理,如使用有机溶剂清洗,使用酸(HNO3, H2SO4, HCl或混合酸)进行加热处理。具体操作需参考更多文献。

注b:科学材料站(SCI Materials Hub)可以根据用户需求提供定制尺寸和大量供应,如:CeTech W0S1009可以供应宽幅50CM,单卷最长100米,即50平米/卷,数量不限;AvCarb 1071 HCB可以供应宽幅117CM,单卷长度100米,即117平米/卷,数量不限;Etek系列可以提供宽幅106-130CM的单卷,数量不限,等等。


3. 不同品牌生碳布简介

3.1 台湾碳能

CeTech W0S1009碳布基材

图片来源:科学材料站 ● SCI Materials Hub ● www.scimaterials.cn


CeTech W0S1009为台湾碳能生碳布系列旧款型号,目前已经停产。由于该型号获广泛好评,科学材料站有少量库存。经测定,CeTech W0S1009厚度为0.33mm(由于碳布厚度无法精准测量,在这里,科学材料站工程师仅将厚度设定到官方尺寸并测试碳纸是否会从千分尺上滑落)。

CeTech W0S1010生碳布于2020年推出,并于当年停产。

CeTech W0S011是碳能2021年推出的新款碳布基材,是目前主推的型号。相较于W0S1009碳布,W0S1011在面密度和厚度上都有所增加。

另外,W0S1009生碳布对应的疏水微孔层碳布型号是W1S1009,W0S1010生碳布对应的疏水微孔层碳布型号是W1S1010,以及W0S1011生碳布对应的疏水微孔层碳布型号是W1S1011。碳能目前没有仅含有PTFE的疏水碳布。


3.2 美国AvCarb

AvCarb 1071 HCB碳布基材

图片来源:科学材料站 ● SCI Materials Hub ● www.scimaterials.cn


美国AvCarb公司自1978年以来一直凭借着独特的碳纤维织物加工技术生产高品质的聚丙烯腈(PAN)碳纤维产品,AvCarb的碳纤维织物旨在满足气体输送、运动控制、电气和高温应用的苛刻要求。应用领域包括燃料电池、特种电池、传感器技术和工业规模的化学工艺。

AvCarb 1071 HCB碳布首先在生产线中专有的连续碳化工艺中被碳化。碳化后的织物含碳量88%-95%,被称为HC级织物。然后将这些“HC”级织物放在真空下烘烤,就可以生产出含 碳量为99+%的碳布,被称为“HCB”级碳布。这些“HCB”级碳布还可以显示出一部分石墨的性能,同时,AvCarb公司可以提供定制碳含量的碳布。

AvCarb 1071 HCB碳布采用长而连续的卷筒生产,使得产品易于存放、处理和使用。同时它们在 每一卷的长度、宽度以及性能上保证了产品的一致性,这样可以让它们在连续制造的过程 中更容易进行质量控制。

AvCarb 1071 HCB碳布具有导热系数高、导电性高、耐腐蚀、低热膨胀性和优异的摩擦性能,在 燃料电池,液流电池,气体扩散层等方面具有广泛的应用。

此外,科学材料站可以供应AvCarb 1071 HCB生碳布对应的疏水碳布,其疏水碳布型号为AvCarb 1071T HCB (5wt% PTFE, 10wt% PTFE, 20wt% PTFE, 30wt% PTFE, 40wt% PTFE, 50wt% PTFE),其中5wt% PTFE为疏水层含量占比5wt%,而含有50wt% PTFE的疏水碳布为强疏水性碳布。


3.3 日本东丽

Panex PX30 PW03碳布基材

图片来源:科学材料站 ● SCI Materials Hub ● www.scimaterials.cn


Panex PX30 PW06碳布基材

图片来源:科学材料站 ● SCI Materials Hub ● www.scimaterials.cn


Panex PX30 PW03和Panex PX30 PW06是日本东丽旗下Zoltek公司的碳布型号,ZOLTEK 通过专有的连续碳化工艺制造低成本、高性能的碳纤维,已成为碳纤维额定产能的全球领导者。

Zoltek™ Panex PX30 PW03和PW06碳布对于二维复合材料具有高交叉层拉伸和层间剪切强度。 这种碳布织物的另一个优点是它的轮廓构造没有起皱。 Zoltek Panex PW03和PW06碳布面料经过高温碳化过程,需要长时间的保温,从而形成一种非常热稳定且化学纯的面料,氧化率低。

Zoltek Panex PW03和PW06碳布的应用包括碳-碳复合材料和其他需要化学蒸汽渗透或预浸渍的工艺。

Zoltek PX30 碳化纤维产品系列在一些需要非常高的温度和非常苛刻的耐化学性的特殊应用中表现非常出色。


3.4 美国FuelCellStore

图片待补充

ELAT HPC碳布基材

图片来源:科学材料站 ● SCI Materials Hub ● www.scimaterials.cn

ELAT HPC是由美国FuelCellStore提供的一款生碳布气体扩散层,它非常适合液流电池。优异的拉伸强度和层间剪切强度可防止织物起皱。ELAT HPC专为液体型电化学反应器设计。该型号碳布的厚度为406 um。

*ELAT HPC特性和优点:

消耗液体反应物的电化学装置需要液体介质完全接触电催化剂层,因此,气体扩散层的润湿性对于优异的电化学性能变得至关重要。 ELAT HPC采用专有处理制造,以使其具有亲水性。该碳布素材仅由长碳纤维组成,没有微孔层 (MPL)。液体反应物一进入电化学装置,立即到达阳极或阴极电催化剂的表面并开始反应。该产品具有良好的可压缩性,以适应其他组件的厚度变化,具有出色的导电性和机械弹性,并且没有任何 PTFE 处理(也称为 Teflonization)。这些特性使ELAT HPC生碳布非常适用于所有液流电池、直接甲醇燃料电池、电解槽、电池和各种其他电化学设备。

除了在电化学设备中使用这种亲水性碳布作为电极本身(带催化剂或不带催化剂)之外,这种碳布的表面亲水性也使其非常适合通过化学或电解方法沉积各种材料以研究催化材料在异地条件下。


3.5 美国Etek

图片待补充

Etek Cloth (A, B, C)碳布基材

图片来源:科学材料站 ● SCI Materials Hub ● www.scimaterials.cn


Etek Cloth (A, B, C)是一款石墨化纺纱碳纤维布(WOVEN CARBON FABRICS),它是由细纱制成的碳纤维织物。这种碳纤维织物的可剪裁性源于控制粗纱和纱线的产量,并允许各种成品复合厚度。根据厚度可以分为3种型号:Etek Cloth A (0.381mm),Etek Cloth B (0.508mm),Etek Cloth C (0.889mm,科学材料站提供的最厚一款生碳布)。

碳布细纱具有许多从表面以不同长度向不同方向突出的表面原纤维。 这种纤维蓬松度有助于二维复合材料的高交叉层拉伸和层间剪切强度。 无褶皱的轮廓构造是细纱织物的另一个优点。

材料经过真空石墨化过程和长时间的温度浸泡,从而形成一种非常热稳定且化学纯的织物,具有低氧化率。

纺纱碳纤维布的制作需要包括低成本碳、碳材料和其他需要高效化学蒸汽渗透或预浸处理的工艺。


4. 版权、责任声明:

a. 该文由科学材料站(SCI Materials Hub)原创,并保留对该文的所有权,如需转载请联系科学材料站(contact@scimaterials.cn

b. 该文是一般性的科普宣传文章,不是实验指导文章!如需选择合适的材料,请结合具体实验、文献,科学材料站不对本文中的材料在具体实验中的使用效果做任何保证!请广大科研工作者批判性阅读本文!

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