摘要
碳纤维纸(碳纸)是短切碳纤维抄造成型后，经过树脂浸渍、固化、碳化等步骤制成的材料。由于其具备高孔隙率、良好的导电性、耐腐蚀性等气体扩散层所要求的性能,成为了气体扩散层的理想材料。 本文详细研究了湿法抄纸过程中浆液均匀性影响因素，包括分散液的浓度、分散剂聚氧化乙烯(PEO)的分子质量和浓度，以及短切碳纤维的长度和浓度对分散性能的影响。结果表明:选用相对分子质量600×104的PEO,配制0.16wt％的溶液，可以获得对纤维较好的分散性能;选择长度为5mm的短切碳纤维、纤维浓度控制在0.067wt％,可以制得低成本、分散性良好的碳纤维分散液以及质地均匀的碳纤维纸坯。 为研究浸渍增密过程中，酚醛树脂溶液浓度、浸渍方法、浸渍时间对碳纸各项性能指标的影响，设计了三因素三水平的正交试验。结果表明:在实验范围条件内，超声浸渍有利于改善厚度均匀性、导电性、增加密度，真空浸渍有利于提高孔隙率和透气性能;延长浸渍时间、提高树脂溶液浓度有利于提高拉伸强度、导电性能，不利于提高孔隙率和透气性能。综合权衡各方面性能要求，认为超声浸渍、浸渍时间20min、树脂浓度为10wt％的条件下可以制备综合性能较好的碳纸。 为了降低碳纸高温石墨化过程产生的制造成本，探索了两种低成本高导电碳纸的制备工艺: 一、导电填料改性浸渍树脂优化碳纸性能研究，在酚醛树脂溶液内加入高导电碳质填料，通过超声浸渍的方法引入碳纸。结果表明，初期随着填料含量的增加，碳纸密度增加，孔隙率下降、导电能力提高、拉伸强度提高，透气性能下降;填料含量3wt％时的导电能力和拉伸强度达到最高，透气性能最低;继续增加碳质填料，导电能力和拉伸强度都出现下降。对比乙炔黑和碳纳米管两种添加剂的效果，发现碳纳米管更有利于提高导电性能，而乙炔黑更有助于提高拉伸性能，同时保持较好的透气性。通过对样品的微观形貌分析，认为碳纳米管样品透气性和力学性能较差的原因是碳纳米管的团聚现象。 二、酚醛树脂的低温催化石墨化工艺研究;在酚醛树脂中加入铁盐，利用铁元素对无定型碳材料的低温催化石墨化作用，实现碳纸的低温石墨化，研究了Fe(NO3)3·9H2O的质量分数和石墨化温度对碳纸微观结构参数和各项性能的影响。随着铁盐含量的增加,石墨化程度明显提高，导电性能明显提高，在温度1500℃、铁盐浓度为9wt％时，电阻率最低可达6.5mΩ·cm。不过铁盐的加入对碳纸的透气性能有一定不利影响。
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