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碳纸检测

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发布时间：2025-04-20 13:45:53 更新时间：2025-05-27 19:16:57

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作者：中科光析科学技术研究所检测中心

碳纸检测的重要性和背景介绍

碳纸作为燃料电池、锂离子电池及储能系统的核心材料之一，其性能直接关系到能源装置的效率、寿命和安全性。碳纸需要具备高导电性、优异的机械强度、稳定的化学惰性以及可控的孔隙结构，以满足气体扩散、电子传导和介质传输等核心功能需求。近年来，随着新能源产业的快速发展，碳纸在氢燃料电池双极板、电解水制氢电极等领域的应用规模显著扩大，对碳纸的标准化检测提出了更高要求。

碳纸检测的核心目标在于确保材料的批次一致性、工艺适配性和终端应用可靠性。例如，燃料电池中碳纸的孔隙率异常会导致气体扩散不均，引发电池堆局部过热甚至失效；而表面粗糙度超标可能加速催化剂层剥离，缩短电池寿命。因此，建立系统化的碳纸检测体系对于保障新能源装备的产业化推进和技术迭代具有重要工程意义。

碳纸检测的具体项目和范围

碳纸检测涵盖物理性能、化学稳定性及电化学特性三大维度：
1. 物理性能检测：包括厚度均匀性（公差±5μm）、面密度（80-250g/m²）、孔隙率（60-85%）、抗拉强度（≥10MPa）和弯曲强度；
2. 表面特性检测：表面粗糙度（Ra≤8μm）、接触角（疏水性测试）、微观形貌（SEM观测纤维分布）；
3. 电化学性能检测：体电阻率（≤80mΩ·cm）、接触电阻（≤8mΩ·cm²）、气体渗透率（He渗透率≥200mL/min·cm²·kPa）；
4. 化学稳定性检测：酸/碱溶液浸泡后质量损失率（≤5%）、高温氧化失重率（500℃下≤3%）等。

检测仪器与设备

碳纸检测需采用多学科交叉的精密仪器：
- 厚度测试仪（分辨率0.1μm，如Mitutoyo千分尺）
- 扫描电子显微镜（SEM，如蔡司EVO系列）
- 万能材料试验机（Instron 5967，精度±0.5%）
- 四探针电阻测试仪（Keithley 2450）
- 压汞仪（Micromeritics AutoPore V，孔径分析范围3nm-360μm）
- 接触角测量仪（Dataphysics OCA50）
- 高温马弗炉（最高1200℃，用于氧化稳定性测试）

标准检测方法与流程

依据IEC 62282-3及GB/T 20042.3标准，检测流程分为四阶段：
1. 样品制备：从整卷碳纸中按对角线法取样，裁剪为100mm×100mm标准样片，在恒温恒湿箱（23℃/50%RH）预处理24小时；
2. 物理性能测试：采用五点法测量厚度，计算面密度；通过压汞法绘制孔径分布曲线，结合BJH模型计算孔隙率；
3. 电化学分析：使用四探针法测量体电阻，模拟燃料电池工况（80℃/100%RH）测试接触电阻；
4. 化学稳定性验证：将样品浸入1M H₂SO₄溶液（80℃）72小时后，通过精密天平（精度0.1mg）测量质量变化。

检测结果评判标准

碳纸检测需满足分级管控要求：
- A级合格品：所有指标在标称值±5%范围内，SEM图像显示纤维分布均匀无团聚；
- B级可用品：关键指标（电阻率、孔隙率）符合要求，但次要参数（厚度公差、接触角）超出标准值10%；
- 不合格品：出现以下任一情况即判定不合格：体电阻＞100mΩ·cm、酸腐蚀失重＞7%、拉伸强度＜8MPa。检测报告需包含原始数据、仪器校准证书及与标准值的偏差分析。