薄膜电池

拍摄时间：2011年3月25日样品名称：锂电池薄膜样品处理：铱喷镀30秒使用机型：Hitachi S-3400N钨灯丝SEM工作条件：30kV；WD=5.2mm放大倍数：50,000；100,000仪器单位：同济大学生命科学与技术学院电镜室http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2011/08/201108151950_310372_1602497_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2011/08/201108151950_310373_1602497_3.jpg

一直以来，我们都在为“什么样的形貌才是电池薄膜的真实形貌”而困扰。因为这类样品又不导电，又软，又不耐打，简直可以用作应用工程师毕业考试的最后一题。毫无疑问，本版专家RoadCH提供了一个正确的实验方向，那就是——低着陆电压，更低着陆电压，超低着陆电压。这次有幸接触了许多电池薄膜的样品，于是在干法和湿法薄膜中各挑了一个难度较高并具代表性的，和大家分享一下实验流程。实验一：湿法薄膜；实验机：FEI Nova NanoSEM 450。样品来源：首字母N的公司产品；难点要点：还原“主筋”上的骨节并保护最细的拉丝。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/04/201304172120_435815_1602497_3.jpg↑ 不开减速的情况下，由于荷电和边缘效应，样品立体感消失，因此该条件不适合作为观察条件L。但是由于着陆电压低，细丝得到较好保护。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/04/201304172134_435833_1602497_3.jpg↑ 减速1.5kV下，荷电和边缘效应得到改善，样品细节也逐步体现。但是由于信号被加速，大量流失，信噪比还不如减速前的图像，因此该条件不适合作为观察条件L。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/04/201304172136_435834_1602497_3.jpg↑ 减速0.5kV下，信号量增加，图像信噪比改善。减速消除了荷电和边缘效，低的着陆电压在还原样品细节的同时，也保护了样品本身，因此该条件适合作为观察条件J。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/04/201304172142_435835_1602497_3.jpg↑ 减速0.2kV下，虽然分辨能力略有降低，但是由于信号更趋于表面，图像也体现出相当的立体感。另外，该条件为样品本身提供了最大限度的保护，因此该条件适合作为观察条件J。下面的一套20k×放大倍数的照片顺序相同。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/04/201304172146_435836_1602497_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/04/201304172146_435837_1602497_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/04/201304172146_435838_1602497_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/04/201304172147_435839_1602497_3.jpg实验二：干法薄膜；实验机：FEI Nova NanoSEM 450。样品来源：首字母U的公司产品；难点要点：样品小孔不能发生形变。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/04/201304172149_435840_1602497_3.jpg↑ 不开减速的情况下，由于荷电和边缘效应，样品的“筋”不可见，立体感消失，样品小孔形变严重，因此该条件不适合作为观察条件L。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/04/201304172152_435841_1602497_3.jpg↑ 减速的情况下，除了降低了荷电和边缘效应，其余没有任何改善，因此该条件不适合作为观察条件L。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/04/201304172154_435842_1602497_3.jpg↑ 减速0.5kV下，信号量增加，图像信噪比改善，薄膜的“筋”开始浮现，呈现出一定的立体感。但是样品小孔依然存在较严重的形变，因此该条件不适合作为观察条件L。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/04/201304172155_435844_1602497_3.jpg↑ 减速0.2kV下，样品的凹凸感非常明显，且样品孔道狭长，已非常接近样品原貌。作为综合考量，该条件可以作为观察条件J。下面的一套20k×放大倍数的照片顺序相同。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/04/201304172158_435845_1602497_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/04/201304172158_435846_1602497_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/04/201304172158_

[color=#cc0000]摘要：本文针对锂离子电池材料导热系数测试方法，评论性概述了近些年的相关研究文献报道，研究分析了这些导热系数测试方法的特点，总结了电池材料导热系数测试技术所面临的挑战，从热分析仪器市场化角度提出了迎接这些挑战的技术途径。[/color][hr/][size=18px][color=#cc0000]1.问题的提出[/color][/size] 锂离子电池在各种应用中用于能量转换和存储，包括消费类电子产品、电动汽车、航空航天系统等。图1-1所示为典型的锂离子电池的结构，锂离子电池主要包括电极材料、电解质材料、隔膜材料、电池堆和热管理高导热相变复合材料。[align=center][img=锂离子电池结构示意图,500,375]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/05/202005250623319094_6619_3384_3.jpg!w600x450.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图1-1 锂离子电池结构示意图[/color][/align] 导热系数作为电池材料的重要热物理性能参数之一，严重影响着锂离子电池的各种特性。而锂离子电池在使用过程中会面临着电、热、力和质的不同边界条件，这就使得准确测试电池材料导热系数面临着以下几方面的严峻挑战： （1）锂离子电池材料往往涉及含能和储能材料，在不同边界条件下，如在充放电过程中会伴随着生热甚至热解过程，在电池热管理系统中还涉及到相变材料，这就要求要在这些电化学和热化学过程中同时对导热系数进行测量，这要比以往纯热物理变化过程中的导热系数测试技术更为复杂。 （2）导热系数测试方法众多，但针对锂离子电池材料的复杂特征和要求，首先要需要找出合理的测试方法，以保证测量结果的准确性，这对锂离子电池材料和电池热管理尤为重要。 （3）由于锂离子电池材料导热系数测试所涉及的环境条件众多，会涉及众多不同的导热系数测试方法和设备。但在实际工程应用中，还是希望能对测试方法进行优化和开发测试新技术，从而实现用尽量少的测试方法和仪器设备尽可能多的满足各种各种锂离子电池材料的导热系数测试需求。 （4）由于锂离子电池材料还涉及其他热性能参数和表征参数，如比热容和热失控等，这样就要求导热系数测试方法和仪器能与其他热性能参数测试仪器进行集成，使得测试仪器具备多功能性，在一台测试仪器上可实现多个参数的测试。 本文将针对上述存在的问题和挑战，首先对近些年锂离子电池材料导热系数测试技术进行评论性综述，然后在分析研究的基础上，提出比较适合锂离子电池和材料导热系数测量的实用方法。[size=18px][color=#cc0000]2.电池材料导热系数测试方法综述[/color][/size] 在锂离子电池材料级别方面，主要涉及的材料有电极、电解质、隔膜、电极隔膜堆和热管理高导热相变复合材料。 在材料级别方面，已经报道了电极[1]-[4]、电解质[5]、隔膜[6][7]、电极堆[2][8]的导热系数和接触热阻[9][10]测量结果。 如图2-1所示，阴极样品厚度方向上导热系数已使用保护型热流计法（ASTM E1530）进行了测量[1][12]，阴极由等体积分数的聚合物电解质以及活性材料和乙炔黑的混合物制成。经测量，在25~150℃之间复合材料导热系数在0.2 ~ 0.5 W/mK范围内变化。由于阴极材料太薄，将多层阴极材料叠加后形成1~2mm厚的可测样品，样品直径为25.4mm，测试压力为10psi以减少多层叠加后带来的接触热阻。[align=center][img=保护型热流计法导系数测试示意图,500,419]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/05/202005250624120593_5244_3384_3.jpg!w500x419.jpg[/img][/align][align=center]图2-1 保护型热流计法导热系数测试示意图[/align] 如图 2-2所示，展示了锂离子电池电极材料厚度方向导热系数测量装置结构[2]。[align=center][img=,600,428]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/05/202005252355511656_8624_3384_3.jpg!w600x428.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图2-2 锂离子电池材料厚度方向导热系数测量装置示意图[/color][/align] 装置采用了稳态薄加热片法[13]，单层材料面积为431mm2，厚度0.42mm，被测样品为多层叠加形式。还采用了闪光法测量多层锂离子电池薄层材料的热扩散系数，并通过叠层材料不同取样方向来测量得到不同方向的热扩散系数。 时域热反射（TDTR）技术已用于测量LiCoO2薄膜厚度方向导热系数[3]，样品厚度约500nm，测量了锂化程度对导热系数的影响。循环过程中原位测量LiCoO2阴极的导热系数表明，去锂化时，导热系数从5.4W/mK可逆地降低至4.7W/mK。 如图2-3所示，采用闪光法确定由各种粒径的合成石墨制成的负电极（NE）材料的导热系数[4][14]，样品尺寸为直径约15mm，厚度范围为1.1~9.5mm，实验在室温RT，150和200°C下进行。[align=center][img=激光闪法测量原理,500,467]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/05/202005250625143698_6549_3384_3.jpg!w500x467.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图2-3 激光闪光法测量原理[/color][/align] 同样，聚合物电解质的导热系数采用图1-1所示保护型热流计法进行了测量[5]，测量样品厚度方向上的温差，该温差用于计算总热阻，从中可提取出样品厚度方向上的导热系数。通过刮刀技术制备聚合物电解质薄膜样品，并将其夹在导热仪顶板和底板之间，然后测量温度差。据报道，在25~150℃范围内，导热系数在0.12~0.22W/mK之间变化。 如图2-4所示，隔膜材料面内方向导热系数已使用直流加热法进行了测量[6]。在100级无尘室中从26650锂离子电池中提取隔膜样品，在隔膜样品上沉积了两条相距很小的细钛线，其中一条线用作加热器，而这两条线都用于温度测量，两条线的温度作为时间函数的超快测量用于确定隔膜样品的热性能[15]。室温下的面内方向导热系数为0.5W/mK，在50℃下测量时，这些值没有明显变化。[align=center][img=,500,308]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/05/202005250625463285_8933_3384_3.jpg!w550x339.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图2-4 隔膜材料比热容和面内方向导热系数测试示意图[/color][/align] 正负电极薄膜材料和隔膜材料厚度方向和面内方向导热系数已使用不同的稳态方法进行了测量[7]，实验装置与先前使用的一维热流计法装置非常相似[1]。样品尺寸30mm×30mm，单层膜厚度在24~106um范围内，导热系数测量结果范围为0.19~31W/mK。 如图2-5所示，采用闪光法测量了多层阳极、隔膜和阴极构成的电极隔膜堆的厚度方向和面内方向热扩散系数[8]，采用差示扫描量热仪测量了比热容，由此得到电极隔膜堆厚度方向和面内方向的导热系数。另外对从新电池中取出的电极隔膜堆在45℃下循环500次，考察了高温循环对导热系数的影响。[align=center][img=闪光法厚度方向和面内方向测试示意图,690,400]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/05/202005250626168406_2334_3384_3.jpg!w690x400.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图2-5 （a）闪光法测试厚度方向和面内方向电极隔膜堆热扩散系数示意图；（b）测试过程中样品的取样形式和摆放形式[/color][/align] 除了上述关于导热系数测量的报道外，还报道了采用恒定热流法（ASTM D5470）在不同压力和温度下测量了电极隔膜堆的接触热阻[9][16]。如图2-6所示，测试过程中将被测电极隔膜堆叠层夹在两个铜块之间，并测量了叠层的总热阻。电池隔膜堆包括了涂覆有石墨的铜阳极、涂覆有钴酸锂的铝阴极、聚乙烯/聚丙烯隔膜和电解质，测试温度范围-20~50℃，压力0~250psi。通过测试得出的主要结论包括：与干电池组相比，湿电池组的接触热阻更低，并且电极隔膜堆叠热阻的温度依赖性较弱。但是，此处测得的热阻是总热阻，其中还包括材料自身热阻，而不仅仅是电池不同材料之间的接触热阻。已经测量了使用的电极和铜棒之间的接触热阻，这与电池的原位操作没有特别的关系。[align=center][img=,550,442]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/05/202005250626475813_5845_3384_3.jpg!w550x442.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图2-6 恒定热流法（ASTM D5470）测量电池材料接触热阻示意图[/color][/align] 如图2-7所示，在另一项工作中，同样采用恒定热流法（ASTM D5470）测量了阴极和隔膜之间的界面热传导[10]。测量结果表明，锂离子电池的热特性很大程度上取决于穿过阴极-隔膜界面的传热，而不是通过电池本身的传热。这种界面热阻约占电池总热阻的88%。[align=center][img=,500,267]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/05/202005250627005929_1859_3384_3.jpg!w600x321.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图2-7 恒定热流法测量电池材料接触热阻示意图：（a）被测样品为电极隔膜堆；（b）纯隔膜样品；（c）纯阴极样品[/color][/align] 如图2-8所示，采用瞬态平面热源法测量了石墨烯填料的混合相变材料[11][17]，石蜡相变材料在添加石墨烯前后的导热系数分别为0.25W/mK和45W/mK。[align=center][img=,500,202]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/05/202005250627216467_2507_3384_3.jpg!w600x243.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图2-8 瞬态平面热源法测试探头和测量原理图[/color][/align] 对于锂离子电池材料这类薄膜材料，其导热系数的测量还有一种非常有效的方法就是温度波法[18]。这种方法尽管已推出多年，但应用还是较少，但今后将是一种重要的有效方法。[size=18px][color=#cc0000]3.测试方法的特点[/color][/size] 从上述综述中可以看出，电池材料导热系数采用了以下几种测试方法： （1）稳态保护热流计法：ASTM E1530； （2）稳态护热板法：ASTM C177； （3）时域反射法； （4）闪光法：ASTM E1461； （5）稳态热流计法：ASTM C518； （6）恒定热流法：ASTM D5470； （7）瞬态平面热源法：ISO 22007-2。 （8）温度波法：ISO 22007-3。 从上述所涉及的多个测试方法可以看出，与传统材料导热系数测试不同，锂离子电池材料导热系数测试呈现出以下显著特点： （1）薄膜化：锂离子电池材料基本都呈现出薄膜化的形态，所涉及的则是典型的薄膜导热系数测试技术； （2）各向异性：薄膜化的锂离子电池材料呈现出比较明显的各向异性特征，导热系数在厚度方向和面内方向上表现出明显差别，锂离子电池材料导热系数测试实际上是一个各向异性薄膜材料导热系数测试问题； （3）测试变量多：锂离子电池材料导热系数测试的另一个显著特征是测试条件变量较多，除需在传统的不同温度下进行测试之外，还需要包括其他测试条件，如不同的加载压力、SOC荷电、气氛、振动、湿度等条件，甚至还需在通电状态下。[size=18px][color=#cc0000]4.电池材料导热系数测试方法分析[/color][/size] 根据上述锂离子电池材料导热系数测试的特点，对上述各种测试方法进行分析，以寻找出那些测试方法更能适合锂离子电池材料的测试。 纵观上述测试方法，我们将它们分为稳态法和瞬态法进行分析。[color=#cc0000]4.1. 稳态法[/color] 稳态法主要包括：保护热流计法、护热板法、热流计法和恒定热流法。 稳态法的显著特点就是依据经典的傅里叶稳态传热定律，在被测电池材料薄膜样品的测试方向上形成稳定的一维热流，通过测量不同条件下的温度和热流密度来测定相应的导热系数和接触热阻。 稳态法做为一种传统方法，是在较厚的块体材料热性能基础上发展起来的测试方法，对于较大尺寸和较厚块体样品的导热系数测试非常准确和成熟，如保护热流计法、护热板法、热流计法。为了进行电池薄膜材料测试，需要对薄膜材料进行多层叠加后制成样品才能满足稳态法测量准确性要求，这种多层叠加势必会带来接触热阻的严重影响。鉴于传统稳态法对薄膜材料导热系数测试的局限性，开发的恒定热流法则部分解决了测试问题，通过独特的表面温度测试技术，可以进行百微米厚度量级的薄膜导热系数测量，非常适合测试多层膜构成的电池堆以及高导热相变复合材料。 尽管做了相应的改进，但这种在稳态法上做的任何努力都是在挖掘稳态法的潜力，是对稳态法测试能力区间的下限进行进一步的拓展，测试能力下限毕竟还是非常有限，受到了稳态法自身的制约，特别是受到表面温度和厚度测量准确性的制约，使得这种扩展空间十分有限且效果很难保证。总之，对于锂离子电池材料，暂时比较适合的稳态法是ASTM D5470恒定热流法，可以进行导热系数和热阻测量，样品尺寸适中并比较适合加载各种边界条件。[color=#cc0000]4.2. 瞬态法[/color] 瞬态法主要包括时域反射法、闪光法和瞬态平面热源法。 与稳态法恰恰相反，瞬态法是基于样品材料对热激励动态响应的一种测试方法，被测样品越薄，对热激励的响应越快，所以瞬态法的核心是检测物理量随时间变化快慢的问题。同时，在被测样品对热激励的快速响应过程中，周围环境和其他边界条件的影响反而变得很小。最主要的是，随着技术的发展，块体样品（特别是薄膜材料）对热激励的动态响应时间，在当前的电子检测技术面前都不再属于快速测量范畴，采用目前的各种电子技术手段很容易对热激励响应进行快速和准确测量。从另一方面理解，就是针对材料的热性能测试，瞬态法可以针对不同被测样品厚度范围（响应时间）采用相应响应频率范围的电子仪器和设备来实现准确测量，而目前电子仪器设备的测试能力要远远超过薄膜材料热性能测试的需求。这就是瞬态法自身的最大优势，同时也是目前市场上薄膜材料热性能测试仪器大多采用瞬态法的主要原因。 总之，瞬态法作为非接触是测量方法非常适用于致密性薄膜材料，适合测量非常薄的样品，但对于锂离子电池材料这类较低密度的薄膜材料则会遇到许多测试难题，多孔性的薄膜材料样品需要进行表面处理才能进行导热系数测量，但表面处理往往会带来渗透而改变薄膜样品的热性能。另外，瞬态法的另一个明显不足是很难在被测样品上加载各种相应的边界条件进行导热系数测量，如压力和通电等。但瞬态法中的温度波法则是一个例外，这将在下节中进行介绍。[size=18px][color=#cc0000]5.未来设想：新方法的提出[/color][/size] 从上述对电池材料导热系数测试方法的分析中可以看出，现有方法都不能很好的解决本文开始提到的锂离子电池材料导热系数测试所面临的问题，需要研究和开发新型测试方法才能应对相应的技术挑战。 通过我们的研究，我们认为将上述稳态法和瞬态法相结合的方法将会是一种有效的技术途径，具体的结合形式就是改进型的瞬态温度波法。 ISO 22007-3规定的温度波测试方法[18]，主要用于确定薄膜和塑料板在整个厚度方向上的热扩散系数。温度波法是一种通过测量样品前后表面之间温度波的相移来测量薄而扁平样品厚度方向热扩散系数的方法。使用在样品两个表面上溅射或接触的电阻器，一个作为加热器，通过交流焦耳加热产生温度波，另一个作为温度计来检测温度波。ISO 22007-3中给出了温度波法测量装置示意图，如图5-1所示。[align=center][img=温度波法热扩散系数测量装置示意图,690,473]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/05/202005250627416770_5455_3384_3.jpg!w690x473.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图5-1 温度波法热扩散系数测量装置示意图[/color][/align] 从上述描述中可以看出，温度波法测量装置包括彼此面对的微加热器和温度传感器，样品安装在它们之间。向加热器提供弱的正弦电功率信号，在样品表面上产生温度波。温度传感器是一种高灵敏度电阻传感器，它使用前置放大器在将弱信号进入锁相放大器之前对其进行放大。观察到的温度信号是激发温度波和背景温度信号的混合，例如环境的温度。在交流测量中，锁定放大的一个优点是能够提取和分析信号中仅一个指定频率分量的变化，抵消室温变化的影响（误差的主要来源）以及噪声成分实现高灵敏度测量。通过将实际施加的温度波幅度限制在1℃以内或更低，可以有效地抑制对流和辐射，并确保几乎不损坏样品。此外，如果采用极小的传感器尺寸则可识别更小样品区域内的热扩散系数。 总之，采用改进后的温度波法，将具备以下几方面的显著特点： （1）在样品的夹持、厚度控制和测量方面，温度波法与稳态法基本相同，可以在测量过程中对样品加载一定的压力和其他测试条件。同时，温度波法还具备了非接触瞬态法的优点，将温度和热流测量转换为高精度的频率和相位测量，减少了误差，可以实现高灵敏的测量。 （2）尽管ISO 22007-3规定的温度波测试方法是用于测量薄膜材料厚度方向的热扩散系数，但这种方法也可以用于薄膜面内方向上的热扩散系数测量，转换后的测试方法就是经典的Angstrom周期热波法[19]。 （3）从图5-1所示的温度波测量原理可以看出，只要将交流加热形式控制为直流形式，温度波法就变成了传统的热流计法，就可以用于板材样品测量，也就是说可以进行各种规格尺寸袋装和片状锂离子电池热扩散系数和导热系数的测量。 （4）更重要的特点是，改进的温度波法结构小巧，可以与其他热性能测试方法进行集成，这方面的内容将在后续报告中进行介绍。 综上所述，我们选择并开展改进型的温度波法研究，基本可以解决本文前面所提出的锂离子电池材料测试中所面临的几方面难题，同时还兼顾了测试仪器的微型化、集成化和低成本，这将是我们今后热分析仪器发展的一个方向。[size=18px][color=#cc0000]6.参考文献[/color][/size][1] Song, L., and Evans, J. W., 1999, “Measurements of the Thermal Conductivity of Lithium Polymer Battery Composite Cathodes,” J. Electrochem. Soc., 146(3), pp. 869–871.[2] Maleki, H., Al Hallaj, S., Selman, J. R., Dinwiddie, R. B., and Wang, H., 1999, “Thermal Properties of Lithium-Ion Battery and Components,” J. Electrochem. Soc., 146(3), pp. 947–954.[3] Cho, J., Losego, M. D., Zhang, H. G., Kim, H., Zuo, J., Petrov, I., Cahill, D. G., and Braun, P. V., 2014, “Electrochemically Tunable Thermal Conductivity of Lithium Cobalt Oxide,” Nat. Commun., 5, p. 4035.[4] Maleki, H., Selman, J. R., Dinwiddie, R. B., and Wang, H., 2001, “High Thermal Conductivity Negative Electrode Material for Lithium-Ion Batteries,” J. Power Sources, 94(1), pp. 26–35.[5] Song, L., Chen, Y., and Evans, J. W., 1997, “Measurements of the Thermal Conductivity of Poly(Ethylene Oxide)-Lithium Salt Electrolytes,” J. Electrochem. 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Power Sources, 248, pp. 37–43.[12] ASTM E1530 Standard Test Method for Evaluating the Resistance to Thermal Transmission by the Guarded Heat Flow Meter Technique[13] ASTM C177 Standard Test Method for Steady-State Heat Flux Measurements and Thermal Transmission Properties by Means of the Guarded-Hot-Plate Apparatus[14] ASTM E1461-13 Standard Test Method for Thermal Diffusivity by the Flash Method[15] ASTM C518 Standard Test Method for Steady-State Thermal Transmission Properties by Means of the Heat Flow Meter Apparatus[16] ASTM D5470 Standard Test Method for Thermal Transmission Properties of Thermally Conductive Electrical Insulation Materials[17] ISO 22007-2 Plastics — Determination of thermal conductivity and thermal diffusivity — Part 2: Transient plane heat ource (hot disc) method[18] ISO 22007-3, Plastics – Determination of thermal conductivity and thermal diffusivity – Part 3: Temperature wave analysis method.[19] A. J. Angstrom, Ann. Physik Leipzig 114, 513 (1861).[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

据美国《每日科学》网站7月6日报道，德国科学家日前研制了一种可通过印刷方法生产的高效能电池，它不但价格便宜，而且外形小巧，厚度不到1毫米，重量不到一克。 　　很长一段时间里电池一直是笨重的。现在，这种新型超薄电池将引起一场电池领域的革命。研究人员通过利用纳米技术将普通锂离子电池缩小并封闭到一张纤维素纸张上。它的厚度不到1毫米，重量不到一克，还能像印刷报纸那样“印刷”电池，廉价地大规模生产这种高效电池。 　　以前，无论是取款还是汇款，都要亲自去一趟银行，汇完款还会拿回一张银行对帐单。今天，银行交易可以很容易地在家里进行，但仍需要电话或者网络的支持。借助印刷超薄电池，将来银行卡的会使用变得更加便捷，用户拿着一张银行自动取款卡，触摸几下，卡上就就会显示银行卡的综合消费信息。 　　德国开姆尼茨弗劳恩霍夫研究所的莱因哈德鲍曼（Reinhard Baumann）教授和Menippos公司的同事组成了一个研究小组，研制了这款电池。鲍曼说：“我们的目标是能够低成本地大规模生产这种电池，成本最好是以美分计算。” 　　可印刷电池与普通电池有很大的不同。因为它放到天平称上不到1克，厚度还不到1毫米，因此可以将其嵌入银行卡。电池不含有汞，十分环保。其电压为1.5伏，属于正常电压范围。可以将电池堆叠起来提高电压，得到3伏、 4.5伏和6伏的电池，为任何电子产品提供电能。这种新型电池由不同层次组成：锌阳极和锰阴极等。锌和锰发生反应，产生电力。然而，阳极和阴极层在化学反应过程中逐渐消失。因此，该电池的寿命是有限的。 　　该款电池采用丝网印刷方式生产，类似于制造T恤衫。单层比头发丝还薄。研究人员已经在实验室研发出这款电池。预计到今年年底，第一批产品可能会生产出来并投入市场。[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2009/07/200907181051_160362_1664664_3.jpg[/img]

[color=#cc0000]摘要：针对质子交换膜燃料电池中气体扩散层材料厚度方向导热系数测试，介绍了气体扩散层在压缩等条件下进行测试的几种有效测试方法，并分析了稳态法和瞬态法的特点、局限性和应用中存在的问题。并针对瞬态法开展了深入研究，提出了一种更实用的新型测试模型结构。[/color][color=#cc0000]关键词：燃料电池，气体扩散层，导热系数，温度波法，激光闪光法[/color][align=center][color=#cc0000][img=气体扩散层导热系数测试,690,454]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/01/201901152122447766_8811_3384_3.jpg!w690x454.jpg[/img][/color][/align][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][b][color=#cc0000]1. 概述[/color][/b]　　质子交换膜燃料电池中的气体扩散层（GDL）材料呈现明显的各向异性特点，而且厚度很薄，也就是气体扩散层材料是微米量级的物理尺度。在如此小的物理尺度下对薄膜材料性能进行准确测量评价，势必面临着严峻的技术挑战，这种技术挑战完全是薄膜材料面内方向热物理性能测试无法比拟的，毕竟物理尺度不在一个量级上。因此，上海依阳实业有限公司针对薄膜材料，特别是质子交换膜燃料电池中的气体扩散层薄膜材料，对厚度方向导热系数测试技术进行研究，以在实际工程应用中建立起测量准确性高、且操作简便的测试方法和测试仪器。[b][color=#cc0000]2. 气体扩散层厚度方向导热系数测试要求[/color][/b]　　根据目前质子交换膜燃料电池中的气体扩散层（GDL）材料的现状，GDL薄膜材料在厚度方向上的导热系数测试，要考虑以下几方面的特性：　　（1）各向异性条件：如文献报道，各种GDL材料的面内方向和厚度方向导热系数分别为3.5~15W/mK和0.2~2W/mK。这基本就确定了GDL薄膜厚度方向导热系数变化范围大致为0.05~5W/mK，这个范围基本就是非金属薄膜材料的导热系数范围。　　（2）厚度范围：各种GDL材料的厚度基本都在100~500范围内。　　（3）压缩力条件：在燃料电池装配过程中会对GDL产生一定的压缩力来改变电池性能，加载到GDL上的压力范围一般为1MPa以下，最大不超过6MPa。　　[b][color=#cc0000]3. 测试方法及其特点分析[/color][/b]　　薄膜材料的导热系数测试方法众多，但由于GDL被测样品要在上述加载压力下进行测试，有些方法并不适合。合适的测试方法基本上分为稳态法和瞬态法两类。[color=#cc0000]3.1. 稳态法3.1.1. 稳态热流计法[/color]　　对于薄膜和薄层材料厚度方向导热系数的测试，最常用的方法是A-S-T-M D5470。由于这种方法基于稳态热流测量，所以通常称之为保护热流计法或恒定热流法。另外，由于这种方法可以对被测样品加载可控的压缩力和对接触热阻进行测量，使得这种方法在大多数GDL厚度方向导热系数测量中得到应用。[align=center][img=,690,547]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/01/201901152116413556_4706_3384_3.jpg!w690x547.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图3-1 气体扩散层（GDL）厚度方向导热系数测量装置示意图[/color][/align]　　如图3-1所示，在稳态热流计法中，GDL样品夹在上下两个热流计棒之间。上热流计顶部与热板接触，下热流计棒底部与冷板接触，因此通过柱形棒轴线方向从顶部到底部存在连续的热流，实验装置也设计成热量仅允许沿轴向传递。通过温度传感器测量棒上的温度分布梯度（如图3-1所示，并排放置，在顶部和底部棒上具有相同间隔），施加到GDL样品上的压缩载荷也通过负载装置控制。在达到稳态条件下，分别测量流经样品的热流、样品厚度方向上的温差和样品厚度，就可根据稳态傅立叶传热定律计算得到GDL样品厚度方向上的导热系数。[color=#cc0000]3.1.2. 准稳态法[/color]　　准稳态法是一种介于稳态和瞬态方法之间的一种导热系数测试方法，在板状被测样品的一面线性升温和降温过程中，在一维热流边界条件下，样品的冷热面温差会逐渐趋于一种相等状态，这个动态过程中的稳态阶段，就称之为准稳态。通过准稳态下的测量可确定被测样品导热系数随温度的实时变化曲线，准稳态法导热系数测试所对应的标准测试方法为A-S-T-M E2584。　　准稳态法的测量原理如图3-2所示，Zamel等人采用准稳态法对用作GDL的碳纸在厚度方向的导热系数进行了测量，并测量了温度、压缩和PTFE加载对碳纸厚度方向导热系数的综合影响。在测试中所用的样品材料为日本东丽TPGH-120型号的碳纸，单张碳纸的厚度为370μm，被测样品由6层碳纸组成，总厚度为2.22 mm。测试温度范围为-50~120℃，压缩力大小最大为1.6 MPa。如所推测的那样，在碳纸未经处理和经PTFE处理过的不同情况下，随着压缩增加，导热系数增加。此外，他们还观察到温度的升高导致厚度方向导热系数提高。这种行为与面内导热系数研究的测量结果形成对比，表明碳纤维的热膨胀具有方向依赖性。[align=center][img=,690,561]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/01/201901152117126996_6136_3384_3.jpg!w690x561.jpg[/img][/align][color=#cc0000][/color][align=center][color=#cc0000]图3-2 准稳态法GDL厚度方向导热系数测量原理图[/color][/align][color=#cc0000]3.1.3. 稳态法应用中存在的问题和局限性[/color]　　目前GDL厚度方向导热系数测量的大多数都是采用稳态测量方法，从文献报道上来看基本都是采用自行搭建的测试仪器。稳态法的最大特点是原理模型简单，这往往误导了很多此方法的使用者。因为稳态法原理模型所要求的边界条件非常苛刻且实现难度大，要做到对薄膜类材料导热系数准确测量需要非常精密的加工制造和复杂的校准过程，所以很多国外商品化稳态法测试仪器往往很昂贵，而这些往往是自行搭建仪器最容易忽略的关键内容，由此带来的结果就是测试数据波动性大和误差大，不同文献往往会得出相反的结论。　　迄今为止，已经尝试了实验性努力以使用稳态法了解压缩对厚度方向导热系数的影响。用稳态法Khandelwal和Mench测量了温度在+26~+73℃范围内对TORAY碳纸导热系数的影响，他们报告了导热系数随温度升高而降低。他们的测量是在2MPa的压缩力下进行，该压缩力大小代表着接触热阻最小化的压力。在同一项研究中，他们还测量了Teflon对SIGRACET碳纸处理的影响，并表明在碳纸上添加PTFE会大大降低其导热系数。　　在文献中还研究了压缩和添加PTFE对多个制造商碳纸的总导热系数的影响，观察到的一般趋势是厚度方向导热系数随着压缩压力的增加而增加，这主要归因于碳纤维之间总接触热阻的降低。在Burheim等人的研究中，他们研究了压缩、厚度、PTFE和液态水对碳纸的厚度方向导热系数的影响，他们报告说，添加PTFE会导致整体导热系数降低，而压缩和液态水会导致这种性能提高。此外，他们的主要观察之一是具有不同厚度的TORAY纸显示出不同的导热性，他们将这一发现主要归功于这种碳纸的制造过程，而且他们假设较厚的样品是通过将较薄的样品堆叠在一起而制成的。　　在Nitta等人的研究中报道了，尽管施加的压力高达5.5MPa，但发现TORAY碳纸的导热系数与压缩压力无关，他们认为这种趋势主要是由于通过空气的热传递引起的，尽管其导热系数低于固体碳纤维的导热系数。值得注意的是，根据TORAY材料的规格参数，不考虑纸张厚度时，TORAY碳纸厚度方向导热系数在室温下为1.7 W/mK。没有关于TORAY所使用的测量方法的公开信息，此外，在已发表的文献中关于获得该值所需的压缩压力存在很大差异。例如，根据Khandelwal和Mench和Burheim等人的研究，压缩压力对整体导热系数有显著影响，而在参考文献中可以看出这种情况并非如此。　　通过对大量文献进行分析，发现在气体扩散层（GDL）厚度方向热导率测试中很多研究机构选择稳态法测量导热系数，主要出于以下几方面的考虑：　　（1）同时兼顾气体扩散层样品面内方向导热系数的测试。　　（2）同时兼顾气体扩散层样品厚度方向电导率的测试。　　（3）可进行仪器结构扩展以兼顾薄膜样品面内方向电导率和导热系数的测试。　　由于在稳态法测试仪器研制过程中，缺乏对测试模型和边界条件的深刻理解，缺乏仪器设计和高精度制造的能力，缺乏校准和考核仪器的技术手段，以及稳态法自身存在的局限性，这些都会造成稳态法测试仪器对薄膜导热系数测量产生较大误差，使得薄膜热物理性能变化规律很容易淹没在仪器的系统误差内。　　纵观各种稳态法测试仪器，在薄膜材料厚度方向导热系数测试应用中普遍存在的问题以及测试方法固有的局限性主要表现在以下几个方面。　　（1）温度传感器的选择：温度测量的准确性差是目前稳态法薄膜导热系数测量的最严重问题。温度测量涉及到流经薄膜样品厚度方向热流测量和薄膜样品厚度方向上两个表面上的温度差，因此温度测量对导热系数和热阻测量精度有着直接影响。尽管在稳态法中温度测量可以是相对形式（温差值），但对温度传感器的灵敏度、稳定性和一致性要求非常高。绝大多数自制稳态法仪器普遍采用细径铠装热电偶进行测温，采用细径主要是为了减少铠装热电偶金属套管带来的侧向散热损失。而热电偶是一种测温精度较差的温度传感器，在常温附近更容易引起较大误差，所以热电偶的测温精度根本无法满足要求。但如果选择精度合适的电阻温度传感器，则会增大传感器尺寸，带来更大的定位误差，同时会增加传感器自身导热带来的散热损失。　　（2）温度传感器的校准和配套措施：温度传感器除了在安装前需要进行自身校准之外，因为温度传感器还涉及到热流测量和样品表面温度的推算，安装后的温度传感器还需要进行一系列的在线校准来对传感器和装置做出准确的评估和合理的修正。另外，为了防止温度传感器引线带了的侧向热损，需要配套专门用于热电偶引线的热防护装置，这势必使得整个测量装置非常复杂。A-S-T-M D5470只是给出了原则性的规定，并没有详细的描述，这方面内容在A-S-T-M C177中有着详细描述以及试验考核验证过程。　　（3）对于薄膜厚度方向导热系数测试，薄膜样品厚度，特别是在线受压时的厚度要求均匀性要好，这就对测量装置的机械移动机构和在线厚度测量机构提出非常高的要求，位移、平行度和位移测量至少要达到微米量级精度，否则很容易在加载压力过程中使得薄膜样品产生倾斜而带来很大的热阻和导热系数测量误差。同时，还需要测试仪器在整个生命周期内始终保持这个高精度。　　（4）综上所述，可以将稳态法导热系数和热阻测量装置等效看作是一个精度更高的大号螺旋千分卡尺，位移及其厚度测量精度至少优于10微米，而且还要保证平行度，同时还要布置上多只温度传感器及其主动和被动热防护装置。所有这些都会使得相应的稳态法测试仪器较为复杂，在选材、设计和加工制作中要十分谨慎，并经过一系列复杂的校准和考核试验后，仪器才能正常使用。目前我们看到的国内外大多数自制的稳态法测试仪器，包括国内一些仪器厂商生产的一些低价的稳态法测试仪器，只能属于教学类仪器，根本经不起规范的考核验证的检验，无法真正在科研生产中进行准确测量，使得很多材料特征及其变化规律往往淹没在巨大的测试误差范围内。[color=#cc0000]3.2. 瞬态法[/color]　　瞬态法不同于稳态法需要人为加载一个较大的温度梯度，瞬态法测量时只是在稳态样品上施加一个1℃左右的微小温度扰动，测量由于温度扰动所引起的温度幅度或相位变化，测试过程更快捷，测试边界条件更接近于薄膜材料的真实使用环境，直接得到的测量结果往往是热扩散系数。尽管瞬态法理论模型和数据处理十分复杂，但测量装置十分简单，可以直接放置在各种实际应用环境中进行测试，特别适用于老化过程中薄膜材料性能的实时衰减考核。　　在ISO 22007标准测试方法中，比较全面的对各种瞬态法做出了规定。但针对气体扩散层（GDL）厚度方向导热系数在压力加载过程中的测试，比较合适的瞬态法是温度波法和激光闪光法。由于瞬态热线法和平面热源法测量的是体积导热系数，无法明确测量厚度方向导热系数，并不适合各向异性GDL厚度方向导热系数测试。[color=#cc0000]3.2.1. 温度波法[/color]　　ISO 22007-3规定了一种温度波分析方法，用于确定薄膜和塑料板在整个厚度方向上的热扩散系数。温度波法是一种通过测量样品前后表面之间温度波的相移来测量薄而扁平样品厚度方向热扩散系数的方法。使用在样品两个表面上溅射或接触的电阻器，一个作为加热器，通过交流焦耳加热产生温度波，另一个作为温度计来检测温度波。　　ISO 22007-3中给出了温度波法测量装置示意图，如图3-3所示，同时还给出了直接溅射到薄膜样品前后表面上的加热器和传感器元件的示例，如图3-4所示。[align=center][img=3-3 温度波法热扩散系数测量装置示意图,690,473]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/01/201901151925076294_8710_3384_3.jpg!w690x473.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图3-3 温度波法热扩散系数测量装置示意图[/color][/align][align=center][color=#cc0000][img=3-4 加热器和传感器单元示例,690,381]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/01/201901151925274567_6425_3384_3.jpg!w690x381.jpg[/img][/color][/align][color=#cc0000][/color][align=center][color=#cc0000]图3-4 加热器和传感器单元示例[/color][/align]　　从上述描述中可以看出，温度波法测量装置包括彼此面对的微加热器和温度传感器，样品安装在它们之间。向加热器提供弱的正弦电功率信号，在样品表面上产生温度波。温度传感器是一种高灵敏度电阻传感器，它使用前置放大器在将弱信号进入锁相放大器之前对其进行放大。观察到的温度信号是激发温度波和背景温度信号的混合，例如环境的温度。在交流测量中，锁定放大的一个优点是能够提取和分析信号中仅一个指定频率分量的变化，抵消室温变化的影响（误差的主要来源）以及噪声成分实现高灵敏度测量。通过将实际施加的温度波幅度限制在1℃以内或更低，可以有效地抑制对流和辐射，并确保几乎不损坏样品。此外，如果采用极小的传感器尺寸则可识别更小样品区域内的热扩散系数。　　由此可以看出，在样品的夹持、厚度控制和测量方面，温度波法与稳态法基本相同，温度波法也可以在测量过程中对样品加载一定的压力，但温度波法则规避了稳态法温度和热流测量方面的复杂问题，并采用交流加热和锁相放大技术可以有效的提取测量信号和减少误差，可以对薄膜材料进行高灵敏测量。　　温度波法对薄膜热性能测试有着明显优势，Morikawa和Hashimoto采用此方法对芳香族族聚酰亚胺薄膜厚度方向热扩散系数进行了测量，获得了10~570K温度范围内厚度范围为0.1~300μm的薄膜热扩散系数。　　但从图3-4所示的样品制备中可以看出，需要在薄膜样品的两个表面上进行繁琐的溅射工艺处理，这明显制约了温度波法的广泛应用，这也是ISO 22007-3温度波法标准颁布这么多年来一致没有推广使用的主要原因。[color=#cc0000]3.2.2. 激光闪光法[/color]　　在ISO 22007-4对激光闪光法也做出的规定。激光闪光法的原理是使用短能量脉冲（通常由激光提供）照射样品的正面，并使用红外探测器记录样品背面的后续温度升高。从样品背面的温度-时间曲线的形状和样品厚度，可以确定样品的热扩散率。对于具有多孔或透明性质的薄膜材料，它们必须在测试前进行涂覆以确保分别在前后面进行吸收和发射。激光闪光法测量原理和样品表面处理如图3-5所示。[align=center][img=,690,236]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/01/201901152117530286_1398_3384_3.jpg!w690x236.jpg[/img][/align][color=#cc0000][/color][align=center][color=#cc0000]图3-5 激光闪光法测量原理和样品表面处理示意图[/color][/align]　　激光闪光法最大的特点是非接触测量，很容易进行各种温度下的测试，因此激光闪光法在薄膜热物理性能测试中应用十分广泛。但对于气体扩散层（GDL）这种特殊薄膜材料的测试，采用激光闪光法则存在以下问题：　　（1）气体扩散层（GDL）是一种多孔材料，相对于激光而言属于透光材料，在采用激光闪光法测试是需要对GDL样品进行表面处理，需要镀金和喷涂石墨来进行遮光处理，但这样的样品表面处理会使涂层材料通过孔隙进入GDL样品而对测量结果带来严重影响。　　（2）GDL薄膜材料需要在可控压力加载情况下进行测试，而普通的激光闪光法测量装置并不具备压力加载和控制能力，由此使得激光闪光法很少用于GDL导热系数的测试。[color=#cc0000]3.2.3. 瞬态法特点和应用中存在的问题[/color]　　在薄膜材料热性能测试方面，稳态法与瞬态法有着明显区别和各自的显著特点。　　稳态法是基于温度和热流处于不随时间变化的稳定状态下进行测试的一种方法，测量薄膜材料热性能基本是基于较厚块体样品的测试软硬件体系。而在薄膜材料稳态法测试过程中，由于样品厚度的减小，相应的被测信号（如温度和热流）相应的也会变小，这使得在块体样品测试中一些并不明显的问题得到了放大和凸出，如温度传感器精度、热损影响和测量表面精度等。为了解决因样品变薄所带来的一系列问题，就需要增加相应的辅助措施来保证测试满足边界条件，从而造成测试设备整体十分复杂，并需要进行一系列的校准验证考核试验，但效果并不十分明显。从另一个方面来看，稳态法是在块体材料热性能基础上发展起来的测试方法，对于较大尺寸的块体样品测试技术非常成熟和稳定。为了进行薄膜材料测试，在稳态法上做的任何工作都是在挖掘稳态法的潜力，是对稳态法测试能力区间的下限进行进一步的拓展，但毕竟是测试能力下限，受到了稳态法自身的制约，这种扩展空间十分有限且效果很难保证。这也是市场上没有可用于薄膜材料热性能测试仪器的主要原因。　　瞬态法与稳态法恰恰相反，瞬态法是基于样品材料对热激励动态响应的一种测试方法，被测样品越薄，对热激励的响应越快，所以瞬态法的核心是检测物理量随时间变化快慢的问题。同时，在被测样品对热激励的快速响应过程中，周围环境和其他边界条件的影响反而变得很小，这就是瞬态法测试设备往往比较简单的主要原因。最主要的是，随着技术的发展，块体样品（特别是薄膜材料）对热激励的动态响应时间，在当前的电子检测技术面前都不属于快速测量范畴，采用目前的各种电子技术手段很容易对热激励响应进行快速和准确测量。从另一方面理解，就是针对材料的热性能测试，瞬态法可以针对不同被测样品厚度范围（响应时间）采用相应响应频率范围的电子仪器和设备来实现准确测量，而目前电子仪器设备的测试能力要远远超过薄膜材料热性能测试的需求。这就是瞬态法自身的最大优势，同时也是目前市场上薄膜材料热性能测试仪器大多采用瞬态法的主要原因。　　瞬态法与稳态法一样，在实际应用中都存在以下几方面的共性问题：　　（1）在线厚度的均匀性和准确测量问题：样品尺寸越大，样品厚度越小，厚度均匀性越难保证。稳态法由于要布置多只温度传感器而使得样品面积尺寸没有多少减少余地，所以在厚度均匀性保证上有一个极限值。但瞬态法在样品尺寸变化上则有很大空间，瞬态法可以根据激励源和探测器的尺寸来改变样品尺寸大小，样品可以做到很小尺寸，如激光闪光法样品尺寸可以做到直径5~12mm，温度波法样品尺寸还可以更小，由此使得瞬态法更容易保证样品厚度的均匀性以及在线准确测量。　　（2）接触热阻问题：无论是稳态法还是瞬态法，测量中都会面临接触热阻问题，在薄膜材料测试中会更为明显。稳态法解决接触热阻问题是通过测量一系列相同材质和表面状态但厚度不同的样品，通过测试结果推算出接触热阻。但对于薄膜材料而言，一系列不同厚度薄膜样品很难加工制作，另外薄膜厚度均匀性问题也会造成接触热阻测量误差很大。因此无论是稳态法还是瞬态法，采用变厚度测量方法测试接触热阻只能算是一种无奈之举。在瞬态法测试过程中，可以将接触热阻看作是另一种材质的样品薄膜，整个测试模型就可以看作是一个多层薄膜结构的测试问题。只要采用瞬态法测量结果推算出各分层样品的热性能参数，就可以消除接触热阻的影响。随着瞬态法理论模型的发展，目前已经找到多层结构求解的技术途径，还需要进一步的模拟计算和试验考核以验证此方法的准确性和可靠性。　　（3）多层膜问题：大多数薄膜材料在实际应用中都是沉积在基材上，或是与其他薄膜材料进行复合后使用，呈现单层结构并能用于测量的薄膜材料很少，因此更有应用价值的是多层膜的测试问题，特别是对于多层膜样品要能够测试出各个单层薄膜的热物性参数，同时还要考虑压缩力等外部环境条件。多层膜问题与接触热阻问题类似，核心都是一个根据瞬态法测量结果求解单层膜信息的科学问题。[b][color=#cc0000]4. 瞬态法测试技术的深入研究[/color][/b]　　从上述瞬态法特点和存在问题中可以看出，对于薄膜材料，特别是对于质子交换膜燃料电池气体扩散层薄膜材料，瞬态法测试中很大的问题是要对每个被测气体扩散层样品进行表面加工和处理，这显然会增大测试的难度和工作量。如果样品材料的刚度不够而发生皱着和弯曲，则会很难制造合适的被测薄膜样品，因此薄膜测试中被测样品的制作和提取一直是个比较棘手的问题。　　我们通过分析，对瞬态法测试技术进行了更深入的研究，特别是在被测样品环节提出了一种新的试验方法。这种新方法就是不在被测样品上进行任何处理，将原来对样品表面的处理转移到两片基材上，通过两片基材把被测样品夹持在中心位置来达到样品表面处理的相同效果。新方法的原理如图4-1所示。[align=center][img=4-1 新型瞬态法测试模型原理示意图,690,396]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/01/201901151926256162_9109_3384_3.png!w690x396.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图4-1 瞬态法新型模型原理示意图[/color][/align]　　针对不同的瞬态测试方法，这种改进后的瞬态法模型可以有不同结构形式，并具有以下几方面的功能和特点：　　（1）对于温度波法而言，基体就相当于图3-4中的背板，可以将加热器、探测器和电极引线直接溅射在背板上，然后将被测薄膜样品加持在两块背板之间。这样避免了对被测样品的表面处理，通过已经制作成型的背板对各种样品进行测试。　　（2）不对样品进行表面处理，可以避免直接在样品表面进行沉积涂层过程中涂层材料进入多孔薄膜对测量结果的影响，这对于气体扩散层这种多孔材料的导热系数测试尤为重要。　　（3）对于激光闪光法而言，基体材料为刚性透明材料，激励层和探测层为沉积在基体材料表面的金属材料，然后表面在喷涂石墨层。这相当于将以往对透明样品的表面处理形式挪用到对基体材料的表面惊醒处理。作为激励源的激光脉冲经过透明的基体材料照射到激励层使得激励层温度快速升高，同时热量穿过被测样品到达探测层。探测层的温度变化透过透明基体被探测器检测，这个测试过程与普通激光闪光法完全相同，不同的是要考虑热量在多层结构中的传递，而不是以往那样仅有被测样品一层。在实际薄膜激光闪光法测试过程中，经过表面处理后的样品，也应该按照多层结构进行数据处理才能真正得到薄膜样品的测量结果。　　（4）采用新型结构形式的激光脉冲法，同样规避了每次测试薄膜样品都需要进行表面处理的繁琐程序，做多每次需要再在基体表面喷涂石墨以增加发射率。　　（5）从理论上来说，激光闪光法也可以看作是温度波法的一种特殊形式，普通温度波法是周期性热激励和周期信号检测，而激光闪光法则是单脉冲式的热激励和单个温升信号检测。因此，如果将激光单脉冲激励源更换为连续激光加周期性调制，使得经过激光束按照一定周期对激励层进行加热，这就相当于温度波法，但可以实现非接触测量。　　总之，采用瞬态温度波法可以很好的进行压缩环境下薄膜材料的热物性测试。如果能解决多层模型的单层热性能参数的提取问题，解决接触热阻的影响，温度波法将更为准确和实用，同时也为激光闪光法开辟了更广泛的应用领域。[b][color=#cc0000]5. 参考文献[/color][/b]　　(1) Zamel N, Litovsky E, Shakhshir S, et al. Measurement of in-plane thermal conductivity of carbon paper diffusion media in the temperature range of?20℃ to+120℃. Applied energy, 2011, 88(9): 3042-3050.　　(2) American Society for Testing Material Committee, A-S-T-M D5470-17 Standard Test Method for Thermal Transmission Properties of ThermallyConductive Electrical Insulation Materials, A-S-T-M International, West Conshohocken,PA, 2011.　　(3)Khandelwal M, Mench M M. Direct measurement of through-plane thermal conductivity and contact resistance in fuel cell materials. Journal of Power Sources, 2006, 161(2): 1106-1115.　　(4) Nitta I, Himanen O, Mikkola M. Thermal conductivity and contact resistance of compressed gas diffusion layer of PEM fuel cell. Fuel Cells, 2008, 8(2): 111-119.　　(5) Karimi G, Li X, Teertstra P. Measurement of through-plane effective thermal conductivity and contact resistance in PEM fuel cell diffusion media. 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请问各位大侠，在测量薄膜的紫外可见最大吸收波长时，要求薄膜时透明的吗？乳白的的可以吗？我的是PET薄膜，通过不同的溶解方法再旋转涂膜得到两种完全不同的薄膜，见图，一种是乳白色不透明，一种无色透明我的实验目的是在PET薄膜中加入一种染料使其变色，以不加染料的PET薄膜作为参比，测量加染料薄膜的紫外可见最大吸收波长请问各位大侠前辈哪种才适用于我的目的呢？现在还没有做出加染料的薄膜。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/04/201304122026_435158_2341438_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/04/201304122026_435159_2341438_3.jpg

【摘要】膜电极（MEA）作为质子交换膜燃料电池（PEMFC）的能量转换单元，在催化剂作用下将化学能转化为电能。铂基催化剂目前仍是商用PEMFC不可替代的催化剂，其中膜电极中铂（Pt）担载量已成为PEMFC性能评价的一项重要指标。本文对现有PEMFC膜电极Pt担载量测试国标方法进行了改进，并开发了PEMFC膜电极Pt担载量测试的微波消解前处理方法。与国标方法相比，新方法不但提高了测试结果的准确性，还极大提高了测试效率，试剂用量大幅减少，更加绿色、安全和环保。【关键词】质子交换膜燃料电池，铂担载量，催化剂，膜电极，微波消解引言燃料电池是一种将化学能通过催化剂转换成电能的能量转换装置，具有能量密度高、利用率高、清洁安静等优点[1]。质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）是燃料电池的一个重要分类，由于其较高的功率密度、较低的工作温度，成为燃料电池在移动端应用的首选[2-4]。PEMFC通常由端板、双极板、气体扩散层、催化层、质子交换膜（PEM）等组成，其中气体扩散层[5]、催化层[6]与质子交换膜[7]构成的膜电极[8]（membrane electrode assembly，MEA）是PEMFC的关键核心部件。气体扩散层由大孔基底层和微孔层两部分组成，主要材料为碳基材料；催化层材料一般包括催化剂、载体、质子导体、添加剂等，其中催化剂通常被质子交换膜覆盖；质子交换膜最常用的为全氟磺酸聚合物，具有聚四氟乙烯骨架特征的质子导体[9]。一般地，把在两侧分别涂覆阴极和阳极催化剂的质子交换膜称为“三合一”膜电极，把在质子交换膜两侧包括阴极和阳极催化层、气体扩散层的膜电极称之为“五合一”膜电极[10]。催化剂的催化效率将直接决定燃料电池的发电效率及性能。当前，铂基催化剂仍然是商用PEMFC中不可替代的催化剂。由于铂资源的稀缺性和贵重性，研究人员已经将贵金属铂（Pt）担载量从几十年前的10 mg/cm2降低至目前的0.1~0.4 mg/cm2，Pt担载量正朝超低铂方向发展[2]。作为催化剂的核心，Pt担载量直接影响电极催化性能和成本，如何提高催化剂的利用率来降低催化层的Pt担载量是目前研究的重要方向[11]。因此，准确测定MEA中的Pt担载量对于电极性能评价或电池适用性有实际的意义。目前对于Pt担载量的测试，标准GB/T 20042.4-2009[12]和标准GB/T 20042.5-2009[13]给出了参考方法，其中标准GB/T 20042.4-2009中给出的热重法适用于高Pt担载量的催化剂测试，不适用于目前低Pt担载量的催化剂。而标准GB/T 20042.5-2009采用的是灰化-酸解-ICP分析方法，不仅前处理操作繁琐且耗时长，采用ICP分析测试准确度也并不高。早期的也有测试人员做过相应测试研究，如付川[14]在2004年采用加王水-氢氟酸湿法消解膜电极的催化层，对催化层的Pt元素进行了石墨炉[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Wp][color=#3333ff]原子吸收光谱[/color][/url]法测定。景粉宁[15]等人也在2007年研究了灰化-酸解方式溶解膜电极中Pt元素的方法，还比较了石墨炉[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Wp][color=#3333ff]原子吸收光谱[/color][/url]（FAAS）、电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP）和极谱分析等三种设备的分析差异，最终认为ICP法是最有效的测定方法。这些对比现在低Pt担载量的测试均不适用，测试精准度不能保证。薛琼[16]等人采用灰化-酸解方式溶解膜电极中Pt元素，通过紫外光谱法测定，相较ICP测试方便，但前处理方法依旧繁琐，效率低。本文利用超级微波消解仪开发新的微波消解前处理方法，不但减少了酸用量，还明显提高测试效率和准确度。结合对不同方法效率和准确性的比较，微波消解处理方法为燃料电池膜电极催化剂、三合一膜电极以及五合一膜电极均提供了一种快捷、方便的前处理方案，结合[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/yp][color=#3333ff]ICP-MS[/color][/url]测试，更是提供了一种膜电极Pt担载量的快速高效测试和评价方法。1 实验1.1 仪器及工作条件1.1.1 仪器同步热分析仪（TGA/DSC3+，瑞士梅特勒）；安捷伦7900型[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/yp][color=#3333ff]电感耦合等离子体质谱仪[/color][/url]（安捷伦科技有限公司）；Multiwave 7000超级微波消解仪（奥地利安东帕有限公司）；X-G04133箱式电阻炉（天津市中环实验电炉有限公司）；Milli-Q Academic超纯水系统（美国密理博公司）。1.1.2 仪器工作条件同步热分析仪（TGA）工作条件：初始温度30~40 ℃，以1~20 ℃/min升温速率，结束温度800~850 ℃，气体可选空气、氮气、氧气，流速50 mL/min。[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/yp][color=#3333ff]电感耦合等离子体质谱仪[/color][/url]（[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/yp][color=#3333ff]ICP-MS[/color][/url]）的工作条件：射频功率1550 W，载气流量1.2 mL/min，冷却气流量15 L/min，辅助气流量0.5 L/min，蠕动泵转速6 r/min，同心雾化器温度2 ℃，采样锥深度8 mm，检测器扫描方式为脉冲/模拟双模式，积分时间3 s。1.2 试剂及样品试验样品：（1）铂碳催化剂（2）三合一膜电极（3）五合一膜电极。[align=center][/align][align=center][img=,173,164]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/08/202308010942337898_8412_6103278_3.png!w173x164.jpg[/img][/align][align=center](a) [/align][align=center][img=,260,173]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/08/202308010942561683_9679_6103278_3.png!w260x173.jpg[/img][/align][align=center](b)[/align][align=center][img=,260,132]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/08/202308010943232809_2189_6103278_3.png!w260x132.jpg[/img][/align][align=center](c)[/align][align=center](a). 铂碳催化剂；(b). 三合一膜电极；(c). 五合一膜电极。[/align][align=center]图1 膜电极试验样品[/align]Pt、Re单元素标准储备溶液（国家有色金属及电子材料分析测试中心）：1000 mg/L；Pt标准系列溶液：使用Pt单元素标准储备液逐级稀释配制，溶质为1%（体积分数，下同）HCl和5% HNO3（体积分数，下同）；Re内标溶液：1.000 mg/L。HCl、HNO3、H2SO4、H2O2为优级纯，其它试剂为分析纯；实验用水均为一级水。1.3 实验方法1.3.1 灰化-酸解-ICP法灰化：（1）对于铂碳催化剂样品，以Pt克重与样品总量的百分比表示，精确称量样品0.05~0.1 g至预先称重的坩埚中，放入马弗炉中灰化，第一阶段温度为400 ℃保持2 h，第二阶段温度为950 ℃保持1 h，灰化结束后待坩埚冷却后称重。（2）对于膜电极样品，以Pt克重与面积比表示（即Pt担载量），需要截取一定面积大小的膜电极样品，同时记录样品的重量和面积。剪碎后放入预先称重的坩埚中，放入马弗炉中灰化，第一阶段温度为400 ℃保持2 h，第二阶段温度为950 ℃，观察在950 ℃保持1 h、2 h、3 h、12 h不同时间下对Pt含量溶出的影响，灰化结束后待坩埚冷却后称重。酸解：灰化结束后，往坩埚中先加入2~3 mL水，再加硫酸与硝酸的混合酸（体积比为1:3）5~6 mL，加盖后在加热板上大约100 ℃附近消解，当酸液浓缩至一半时可加入0.3 mL左右的过氧化氢，可重复加酸和加热2~4次，直至溶液透明无悬浮物为止，最后加入5~10 mL新鲜王水（盐酸与硝酸体积比为3:1），多次少量，在100 ℃附近消解至澄清透亮，冷却后将消解液用一级水稀释到50 mL或100 mL容量瓶定容。仪器测试：将消解液稀释到适当的范围内，选择[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/yp][color=#3333ff]ICP-MS[/color][/url]测试。1.3.2 微波消解-ICP法微波消解：（1）对于铂碳催化剂样品，直接称重0.05~0.1 g样品加入消解管中，避免沾到内壁上，加入5 mL的硝酸与盐酸的混酸（体积比为3:1），预消解后放入微波消解仪中进行消解。微波消解仪工作条件：消解温度250~280 ℃，消解时间30~45 min。（2）对于膜电极样品，需要截取一定面积的膜电极样品，预先在80 ℃真空干燥后称重和测量尺寸，然后剪碎置于消解管中，加入硝酸与盐酸的混酸5 mL，进行微波消解。消解结束后，进行容量瓶定容。有滤渣的先过滤，工作条件同铂碳催化剂样品。仪器测试：将消解液稀释到适当的范围内，选择[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/yp][color=#3333ff]ICP-MS[/color][/url]测试。1.3.3 热重法（1）铂碳催化剂的TGA法：精确称取2~3 mg铂碳催化剂样品，不超过坩埚容积的1/3，按照标准方法和改进后的方法进行热重测试，升温从室温升至800~850 ℃，试验气氛选择空气模式与氮气/氧气切换模式进行对比。（2）膜电极的TGA法：精确称取5~8 mg三合一膜电极或五合一膜电极样品，试验方法与膜电极催化剂的TGA方法同。2 结果与讨论2.1 灰化-酸解-ICP法2.1.1 铂碳催化剂与三合一膜电极的ICP法铂碳催化剂以及三合一膜电极，相比于五合一膜电极较纯净，一般是铂碳材质类型，可通过灰化方式除掉碳物质与有机质后得到Pt的含量，或者还可以消解灰化后的灰分并通过[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/yp][color=#3333ff]ICP-MS[/color][/url]测定Pt含量。下图2为对铂碳催化剂与三合一膜电极分别采用纯灰分法以及灰分后样品进行湿法消解-ICP法测试样品中的Pt含量效果比较。[align=center][img=,242,172]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/08/202308010944401892_1549_6103278_3.png!w242x172.jpg[/img][/align][align=center](a)[/align][align=center][img=,242,172]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/08/202308010944514650_39_6103278_3.png!w242x172.jpg[/img][/align][align=center](b)[/align][align=center](a). 催化剂；(b). 三合一膜电极。[/align][align=center]图2 催化剂和三合一膜电极在两种方法下的Pt含量结果比较[/align]对于铂碳催化剂，纯灰分法测试的Pt含量虽然不是标准的要求，但是通过试验发现这两类物质采用灰分测试与ICP测试的Pt结果基本保持一致；对于三合一膜电极，灰分测试结果与ICP测试结果基本也保持一致，与理论值相比的误差均在10%以内；但是对于三合一膜电极，鉴于样品本身质量轻，所得灰分极少，因此对于不足0.5 g的样品不建议采用纯灰分法，可以选择结合ICP测试结果更准确。2.1.2 五合一膜电极的ICP法对于五合一膜电极通常含有质子交换膜、催化剂层、气体扩散膜以及粘接胶黏剂等，质子交换膜为具有聚四氟乙烯结构的磺酸聚合物和导电碳，催化剂层一般为铂碳层，气体扩散层通常含有聚四氟乙烯支撑的碳材料。在对五合一膜电极进行马弗炉灰化预处理时发现，五合一膜电极在400~500 ℃质量下降不明显，大约失重20%，片状外观基本无变化，灰化的结果与热重的基本一致，考虑为胶黏剂的损失；而大部分质量损失主要发生在升温至950 ℃以及950 ℃保持阶段，在950 ℃保持1 h后失重量约80%，该温度段主要考虑为碳层、石墨纤维层、聚四氟乙烯结构膜等的损失。于此同时，试验以4 cm2为面积取样代表，考察了两份五合一膜电极在950 ℃在1 h、2 h、3 h各个阶段下的灰分质量与外观变化，如图3所示。[align=center][img=,242,159]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/08/202308010949224814_6816_6103278_3.png!w363x235.jpg[/img] [/align][align=center]图3 膜电极在不同灰化阶段下的状态（从左至右分别为1h、2h、3h）[/align]结果显示从1h到3h不等时间段下的灰化后，各自膜电极的状态区别不明显。而后通过酸解进行了ICP分析，得到结果如下表1所示，与标准方法要求的950 ℃下12 h的处理相比，铂含量测试结果无实质差异。[align=center]表1 膜电极在不同灰化时间下的Pt含量的ICP结果(mgcm-2)[/align][table][tr][td][align=center]样品[/align][/td][td][align=center]Pt含量950℃-1h[/align][/td][td][align=center]Pt含量-950℃-2h[/align][/td][td][align=center]Pt含量950℃-3h[/align][/td][td][align=center]Pt含量950℃-12h[/align][/td][/tr][tr][td][align=center]五合一膜电极1[/align][/td][td][align=center]0.317[/align][/td][td][align=center]0.301[/align][/td][td][align=center]0.301[/align][/td][td][align=center]0.294[/align][/td][/tr][tr][td][align=center]五合一膜电极2[/align][/td][td][align=center]0.086[/align][/td][td][align=center]0.089[/align][/td][td][align=center]0.089[/align][/td][td][align=center]0.089[/align][/td][/tr][/table]因此由试验得到，将灰化处理方法中950 ℃灰化时间缩短2~3 h，不会影响Pt的测定结果的准确性，相比与标准灰化时间减少了近一半（试验时间省了近12 h）。图4为五合一膜电极样品采用灰分结果以及灰分后ICP测试的Pt含量结果对比。[align=center][img=,242,172]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/08/202308010945538918_7151_6103278_3.png!w242x172.jpg[/img][/align][align=center]图4 五合一膜电极在两种方法下的Pt含量结果比较[/align]从图中看出，对于五合一膜电极，纯灰分法测试的Pt含量偏高于理论值以及ICP测试的Pt含量，可能原因是五合一膜电极中存在一些难以灰化的无机物质，造成测定结果偏高，因此对于五合一膜电极可以采用灰分后进行酸解再进行ICP测试，提高Pt测试的准确度，测试结果误差在10%以内。2.2 微波消解-ICP法2.2.1 铂碳催化剂的微波消解法对于铂碳催化剂粉末样品采用微波消解试验，消解程序：称取大约0.05~0.1 g样品置于消解管进行微波消解，整个程序将近耗时1~2 h。冷却后倒出消解液并定容，消解液保持澄清清亮状态，然后对消解液稀释后分别进行[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/yp][color=#3333ff]ICP-MS[/color][/url]测试。下表2是铂碳催化剂在采用微波消解结合[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/yp][color=#3333ff]ICP-MS[/color][/url]与TGA方法、灰分-消解-ICP等几种不同处理方法下的Pt含量的测试结果比较。[align=center]表2 4种方法下催化剂的Pt含量结果比较（%）[/align][table][tr][td][align=center]序号[/align][/td][td][align=center]理论值[/align][/td][td][align=center]微波消解-[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/yp][color=#3333ff]ICP-MS[/color][/url][/align][/td][td][align=center]TGA法[/align][/td][td][align=center]灰化-酸解-ICP[/align][/td][/tr][tr][td][align=center]1[/align][/td][td=1,3][align=center] [/align][align=center]57[/align][align=center] [/align][/td][td][align=center]57.8[/align][/td][td][align=center]56.8[/align][/td][td][align=center]57.3[/align][/td][/tr][tr][td][align=center]2[/align][/td][td][align=center]57.9[/align][/td][td][align=center]56.4[/align][/td][td][align=center]55.7[/align][/td][/tr][tr][td][align=center]平均值[/align][/td][td][align=center]57.8[/align][/td][td][align=center]56.6[/align][/td][td][align=center]56.5[/align][/td][/tr][tr][td][align=center]相对误差[/align][/td][td][align=center]——[/align][/td][td][align=center]1.4[/align][/td][td][align=center]-0.7[/align][/td][td][align=center]-0.88[/align][/td][/tr][tr][td][align=center]RSD[/align][/td][td][align=center]——[/align][/td][td][align=center]0.12[/align][/td][td][align=center]0.5[/align][/td][td][align=center]2.0[/align][/td][/tr][/table]结果表明，直接采用微波消解结合[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/yp][color=#3333ff]ICP-MS[/color][/url]可以快速方便测定铂碳催化剂样品的铂含量，该测试效率比标准要求的两种方法要明显提高，而且准确性也有保证。2.2.2 三合一膜电极的微波消解法对于三合一膜电极的微波消解试验，称取0.025~0.05 g/5~10 cm2样品，用剪刀剪成碎屑，采用在上述同样条件下进行微波消解。选用2个典型三合一膜电极样品进行试验，发现该类型的消解溶液呈透明澄清，稀释后进行[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/yp][color=#3333ff]ICP-MS[/color][/url]分析。同时为了更好进行结果对比，采用灰分-酸解-ICP方式进行处理该样品，如图5所示。[align=center][img=,369,254]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/08/202308010948347411_4202_6103278_3.png!w369x254.jpg[/img][/align][align=center]图5 三合一膜电极在三种方法下的Pt含量结果比较[/align]结果表明微波消解-[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/yp][color=#3333ff]ICP-MS[/color][/url]测得的结果与灰化-酸解-ICP的相当，但是测试效率也高于灰化-酸解方式，并且[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/yp][color=#3333ff]ICP-MS[/color][/url]具有较低的检出限，测定浓度在ng/mL级别，特别适合于低Pt的三合一膜电极样品的测试。2.2.3 五合一膜电极的微波消解法对于五合一膜电极，采用微波消解法进行消解，同样选择上述的消解条件。称取0.1~0.2 g且面积大约为5 cm2五合一膜电极样品，记录称样量和取样面积，在消解后发现膜电极并没有彻底被消解掉，仍然有黑色薄膜层或沉在底部或漂浮，静置后全部沉入底部，对消解液进行定容，然后进行[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/yp][color=#3333ff]ICP-MS[/color][/url]测定Pt含量，结果表明微波消解的[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/yp][color=#3333ff]ICP-MS[/color][/url]结果与灰化-酸解-ICP在铂含量分析结果上基本保持一致，Pt元素回收率百分比为90~110%。可见5 cm2的取样量对于高Pt和低Pt含量的五合一膜电极，均可以测定，即使有未消解的薄膜，也没有影响五合一膜电极的Pt元素的溶出效率。试验中对微波消解未能消解的不溶物进行定性分析，发现为聚四氟乙烯，为包裹中间层单膜电极的两侧的外层复合膜。值得注意的是在进行微波消解时，设定的温度最好低于280 ℃，最好低于仪器最高限30~50 ℃，设置在250~260 ℃附近，因为消解温度过高，则压力会增大，对消解罐体不利；采用石英或玻璃的消解管，因为膜电极材料含聚四氟乙烯材质，不建议是使用聚四氟乙烯消解罐，避免发生意外。通过微波消解的试验结果发现，对于五合一膜电极中的Pt含量测试，采用微波法完全可以将Pt溶解出来，即使一些复合薄膜层没有被消解掉，但也丝毫不影响Pt元素的溶出效率，Pt含量的测定结果还是满足试验要求。表3列出了膜电极中铂含量测试改进方法的耗时和误差比较。[align=center]表3 膜电极中铂含量的不同方法比较[/align][table][tr][td][align=center]样品种类[/align][/td][td][align=center]方法[/align][/td][td][align=center]TGA法(改进后）[/align][/td][td][align=center]灰化-酸解-ICP法（改进后）[/align][/td][td][align=center]微波消解-[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/yp][color=#3333ff]ICP-MS[/color][/url]法[/align][/td][/tr][tr][td=1,2][align=center]铂碳催化剂[/align][/td][td][align=center]耗时（h）[/align][/td][td][align=center]3-4[/align][/td][td][align=center]14-17[/align][/td][td][align=center]6-8[/align][/td][/tr][tr][td][align=center]误差（%）[/align][/td][td][align=center]±5[/align][/td][td][align=center]±2[/align][/td][td][align=center]±4[/align][/td][/tr][tr][td=1,2][align=center]三合一膜电极[/align][/td][td][align=center]耗时（h）[/align][/td][td][align=center]不适合[/align][/td][td][align=center]14-17[/align][/td][td][align=center]6-8[/align][/td][/tr][tr][td][align=center]误差（%）[/align][/td][td][align=center]/[/align][/td][td][align=center]±10[/align][/td][td][align=center]±10[/align][/td][/tr][tr][td=1,2][align=center]五合一膜电极[/align][/td][td][align=center]耗时（h）[/align][/td][td][align=center]不适合[/align][/td][td][align=center]14-17[/align][/td][td][align=center]6-8[/align][/td][/tr][tr][td][align=center]误差（%）[/align][/td][td][align=center]/[/align][/td][td][align=center]±10[/align][/td][td][align=center]±8[/align][/td][/tr][/table]对于铂碳催化剂而言，TGA法、灰化-酸解-ICP法、微波消解-ICP或[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/yp][color=#3333ff]ICP-MS[/color][/url]法的测试误差都能保证在5%以内，其中耗时最短的为TGA，其次为微波消解-[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/yp][color=#3333ff]ICP-MS[/color][/url]法，最长为灰化-酸解-ICP法。对于三合一和五合一膜电极，在几乎相同的测试误差下，微波消解-[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/yp][color=#3333ff]ICP-MS[/color][/url]法具有较大的测试时间优势。3 结论1）灰化-酸解-ICP的国标测试法可以测试膜电极、催化剂的Pt含量，但国标方法测试周期较长尤其在灰化阶段。将灰分的950 ℃保持时间缩短为2~3 h后，灰化阶段提高了效率，缩短了将近一半时间，而后酸解过程也不受影响，Pt结果无差异。2）开发的微波消解-ICP不仅可以快速测定铂碳催化剂、三合一膜电极、五合一膜电极的Pt含量，测试时间相对于灰化-酸解-ICP大大缩短，其次还可以节省酸液试剂。综上所述，微波消解方法不仅可以快速有效溶出膜电极催化剂和三合一膜电极的Pt含量，对于五合一膜电极也同样可以有效的溶出Pt元素，测试的效率远远高于灰化-酸解法，测试结果的准确性好，为燃料电池膜电极中Pt含量的测试提供一种值得参考的实用方法。[s][s][img=,690,404]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/08/202308010951309118_2002_6103278_3.png!w690x404.jpg[/img][/s][/s]

秀秀 薄膜封口机薄膜封口机简介　　英文名称：Film sealing machine 　　薄膜封口机是采用电子恒温控制和无级调速的传动机构，用于各种材料塑料薄膜、铝箔封口包装的（机器）设备。 　　薄膜封口机分为：充气薄膜封口机、立卧两用薄膜封口机、自动薄膜封口机等 薄膜封口机工作原理、特点　　薄膜封口机由机架、减速调速传动机构，封口印字机构，输送装置及电器电子控制系统等部件组成。采用电子恒温控制和自动输送装置，可控制各种不同形状的塑料薄膜带，能在各种包装流水线上配套使用，其封口长度不受限制；具有连续封口效率高，封口质量可靠、结构合理、操作方便等特点；本机可以卧式、立卧、落地式多用，卧式使用干燥物品的包装封口；立式适用于液体物品的包装封口。 该机还配上印字装置，在封口的同时还直接印上厂名、商标、出厂日期或有效期、检号、批号等内容 薄膜封口机使用　　接通电源，各机构开始工作，电热元件通电后加热，使上下加热块急剧升温，并通过温度控制系统调整到所需温度，压印轮转动，根据需要冷却系统开始冷却，输送带送转、并由调速装置调整到所需的速度。 　　当装有物品的包装放置在输送带上，袋的封口部分被自动送入运转中的两根封口带之间，并带入加热区，加热块的热量通过封口带传输到袋的封口部分，使薄膜受热熔软，再通过冷却区，使薄膜表面温度适当下降，然后经过滚花轮（或印字轮）滚压，使封口部分上下塑料薄膜粘合并压制出网状花纹（或印制标志），再由导向橡胶带与输送带将封好的包装袋送出机外，完成封口作业。 　　第一步、穿胶膜 拿到胶膜需确认胶膜卷绕方向，找出逆时针方向，并将其放到胶膜杆上固定。（穿胶膜时请关闭电源） 注意胶膜前后固定夹板是否和胶膜紧密结合，如无法紧密结合，需用美工刀将胶膜纸管内侧切斜角再行放入。 穿好胶膜后用胶布将胶膜牢牢的贴在收料纸管上。 　　第二步、封口操作步骤 接通电源，打开电源开关，指示灯亮，将温控器设定到预定温度，此 时绿色加热指示灯亮。当上热板达到预定温度后，红色恒温指示灯亮（封口机在工作时，电热装置在加热和保温状态中不断交替，故绿色和红色指示灯也不断交替显示，这属正常现象）。 将胶杯放入下模滑板，用手将下模滑板推入到确定位置（若为全自动封口机或自动封口机，放入胶杯后，下模滑板会自动进入），向下压动封口机的手柄至最大行程，保压1~2秒钟，然后缓缓升起手柄，并推至原来位置。 拉出下模滑板，取出胶杯，放入末封口胶杯，进行另一个循环。 　　适用于各种塑料薄膜的封口、制袋、可广泛应用在食品、医药、日用化妆品、土特产品、化工、电工原件、军、服装、文物保管等部门。它是工厂、商店及服务性行业批量使用的最佳封口设备。封口印字一次完成，日期、批号随需要更换，使用方便、符合物品的的食品卫生法。所以可以叫封口打码机。 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2012/03/201203121618_354140_2019107_3.jpg