摘要：針對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池中氣體擴(kuò)散層材料厚度方向?qū)嵯禂?shù)測(cè)試，介紹了氣體擴(kuò)散層在壓縮等條件下進(jìn)行測(cè)試的幾種有效測(cè)試方法，并分析了穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法的特點(diǎn)、局限性和應(yīng)用中存在的問題。并針對(duì)瞬態(tài)法開展了深入研究，提出了一種更實(shí)用的新型測(cè)試模型結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：燃料電池，氣體擴(kuò)散層，導(dǎo)熱系數(shù)，溫度波法，激光閃光法

1. 概述

質(zhì)子交換膜燃料電池中的氣體擴(kuò)散層（GDL）材料呈現(xiàn)明顯的各向異性特點(diǎn)，而且厚度很薄，也就是氣體擴(kuò)散層材料是微米量級(jí)的物理尺度。在如此小的物理尺度下對(duì)薄膜材料性能進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量評(píng)價(jià)，勢(shì)必面臨著嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)，這種技術(shù)挑戰(zhàn)完全是薄膜材料面內(nèi)方向熱物理性能測(cè)試無法比擬的，畢竟物理尺度不在一個(gè)量級(jí)上。因此，上海依陽實(shí)業(yè)有限公司針對(duì)薄膜材料，特別是質(zhì)子交換膜燃料電池中的氣體擴(kuò)散層薄膜材料，對(duì)厚度方向?qū)嵯禂?shù)測(cè)試技術(shù)進(jìn)行研究，以在實(shí)際工程應(yīng)用中建立起測(cè)量準(zhǔn)確性高、且操作簡(jiǎn)便的測(cè)試方法和測(cè)試儀器。

2. 氣體擴(kuò)散層厚度方向?qū)嵯禂?shù)測(cè)試要求

根據(jù)目前質(zhì)子交換膜燃料電池中的氣體擴(kuò)散層（GDL）材料的現(xiàn)狀，GDL薄膜材料在厚度方向上的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試，要考慮以下幾方面的特性：

（1）各向異性條件：如文獻(xiàn)[1]報(bào)道，各種GDL材料的面內(nèi)方向和厚度方向?qū)嵯禂?shù)分別為3.5~15W/mK和0.2~2W/mK。這基本就確定了GDL薄膜厚度方向?qū)嵯禂?shù)變化范圍大致為0.05~5W/mK，這個(gè)范圍基本就是非金屬薄膜材料的導(dǎo)熱系數(shù)范圍。

（2）厚度范圍：各種GDL材料的厚度基本都在100~500范圍內(nèi)。

（3）壓縮力條件：在燃料電池裝配過程中會(huì)對(duì)GDL產(chǎn)生一定的壓縮力來改變電池性能，加載到GDL上的壓力范圍一般為1MPa以下，最大不超過6MPa。

3. 測(cè)試方法及其特點(diǎn)分析

薄膜材料的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試方法眾多，但由于GDL被測(cè)樣品要在上述加載壓力下進(jìn)行測(cè)試，有些方法并不適合。合適的測(cè)試方法基本上分為穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法兩類。

3.1. 穩(wěn)態(tài)法

3.1.1. 穩(wěn)態(tài)熱流計(jì)法

對(duì)于薄膜和薄層材料厚度方向?qū)嵯禂?shù)的測(cè)試，最常用的方法是A-S-T-M D5470[2]。由于這種方法基于穩(wěn)態(tài)熱流測(cè)量，所以通常稱之為保護(hù)熱流計(jì)法或恒定熱流法。另外，由于這種方法可以對(duì)被測(cè)樣品加載可控的壓縮力和對(duì)接觸熱阻進(jìn)行測(cè)量，使得這種方法在大多數(shù)GDL厚度方向?qū)嵯禂?shù)測(cè)量中得到應(yīng)用[3,4,5]。

圖3-1 氣體擴(kuò)散層（GDL）厚度方向?qū)嵯禂?shù)測(cè)量裝置示意圖

如圖3-1所示，在穩(wěn)態(tài)熱流計(jì)法中，GDL樣品夾在上下兩個(gè)熱流計(jì)棒之間。上熱流計(jì)頂部與熱板接觸，下熱流計(jì)棒底部與冷板接觸，因此通過柱形棒軸線方向從頂部到底部存在連續(xù)的熱流，實(shí)驗(yàn)裝置也設(shè)計(jì)成熱量?jī)H允許沿軸向傳遞。通過溫度傳感器測(cè)量棒上的溫度分布梯度（如圖3-1所示，并排放置，在頂部和底部棒上具有相同間隔），施加到GDL樣品上的壓縮載荷也通過負(fù)載裝置控制。在達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件下，分別測(cè)量流經(jīng)樣品的熱流、樣品厚度方向上的溫差和樣品厚度，就可根據(jù)穩(wěn)態(tài)傅立葉傳熱定律計(jì)算得到GDL樣品厚度方向上的導(dǎo)熱系數(shù)。

3.1.2. 準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法

準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法是一種介于穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)方法之間的一種導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試方法，在板狀被測(cè)樣品的一面線性升溫和降溫過程中，在一維熱流邊界條件下，樣品的冷熱面溫差會(huì)逐漸趨于一種相等狀態(tài)，這個(gè)動(dòng)態(tài)過程中的穩(wěn)態(tài)階段，就稱之為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。通過準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)下的測(cè)量可確定被測(cè)樣品導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的實(shí)時(shí)變化曲線，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法為A-S-T-M E2584[6]。

準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法的測(cè)量原理如圖3-2所示，Zamel等人[7]采用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法對(duì)用作GDL的碳紙?jiān)诤穸确较虻膶?dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，并測(cè)量了溫度、壓縮和PTFE加載對(duì)碳紙厚度方向?qū)嵯禂?shù)的綜合影響。在測(cè)試中所用的樣品材料為日本東麗TPGH-120型號(hào)的碳紙，單張?zhí)技埖暮穸葹?70μm，被測(cè)樣品由6層碳紙組成，總厚度為2.22 mm。測(cè)試溫度范圍為-50~120℃，壓縮力大小最大為1.6 MPa。如所推測(cè)的那樣，在碳紙未經(jīng)處理和經(jīng)PTFE處理過的不同情況下，隨著壓縮增加，導(dǎo)熱系數(shù)增加。此外，他們還觀察到溫度的升高導(dǎo)致厚度方向?qū)嵯禂?shù)提高。這種行為與面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)研究[8]的測(cè)量結(jié)果形成對(duì)比，表明碳纖維的熱膨脹具有方向依賴性。

圖3-2 準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法GDL厚度方向?qū)嵯禂?shù)測(cè)量原理圖

3.1.3. 穩(wěn)態(tài)法應(yīng)用中存在的問題和局限性

目前GDL厚度方向?qū)嵯禂?shù)測(cè)量的大多數(shù)都是采用穩(wěn)態(tài)測(cè)量方法，從文獻(xiàn)報(bào)道上來看基本都是采用自行搭建的測(cè)試儀器。穩(wěn)態(tài)法的最大特點(diǎn)是原理模型簡(jiǎn)單，這往往誤導(dǎo)了很多此方法的使用者。因?yàn)榉€(wěn)態(tài)法原理模型所要求的邊界條件非常苛刻且實(shí)現(xiàn)難度大，要做到對(duì)薄膜類材料導(dǎo)熱系數(shù)準(zhǔn)確測(cè)量需要非常精密的加工制造和復(fù)雜的校準(zhǔn)過程，所以很多國(guó)外商品化穩(wěn)態(tài)法測(cè)試儀器往往很昂貴，而這些往往是自行搭建儀器最容易忽略的關(guān)鍵內(nèi)容，由此帶來的結(jié)果就是測(cè)試數(shù)據(jù)波動(dòng)性大和誤差大，不同文獻(xiàn)往往會(huì)得出相反的結(jié)論。

迄今為止，已經(jīng)嘗試了實(shí)驗(yàn)性努力以使用穩(wěn)態(tài)法了解壓縮對(duì)厚度方向?qū)嵯禂?shù)的影響。用穩(wěn)態(tài)法Khandelwal和Mench[3]測(cè)量了溫度在+26~+73℃范圍內(nèi)對(duì)TORAY碳紙導(dǎo)熱系數(shù)的影響，他們報(bào)告了導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而降低。他們的測(cè)量是在2MPa的壓縮力下進(jìn)行，該壓縮力大小代表著接觸熱阻最小化的壓力。在同一項(xiàng)研究中，他們還測(cè)量了Teflon對(duì)SIGRACET碳紙?zhí)幚淼挠绊?，并表明在碳紙上添加PTFE會(huì)大大降低其導(dǎo)熱系數(shù)。

在文獻(xiàn)[9~16]中還研究了壓縮和添加PTFE對(duì)多個(gè)制造商碳紙的總導(dǎo)熱系數(shù)的影響，觀察到的一般趨勢(shì)是厚度方向?qū)嵯禂?shù)隨著壓縮壓力的增加而增加，這主要?dú)w因于碳纖維之間總接觸熱阻的降低。在Burheim等人的研究中[11]，他們研究了壓縮、厚度、PTFE和液態(tài)水對(duì)碳紙的厚度方向?qū)嵯禂?shù)的影響，他們報(bào)告說，添加PTFE會(huì)導(dǎo)致整體導(dǎo)熱系數(shù)降低，而壓縮和液態(tài)水會(huì)導(dǎo)致這種性能提高。此外，他們的主要觀察之一是具有不同厚度的TORAY紙顯示出不同的導(dǎo)熱性，他們將這一發(fā)現(xiàn)主要?dú)w功于這種碳紙的制造過程，而且他們假設(shè)較厚的樣品是通過將較薄的樣品堆疊在一起而制成的。

在Nitta等人的研究中[16]報(bào)道了，盡管施加的壓力高達(dá)5.5MPa，但發(fā)現(xiàn)TORAY碳紙的導(dǎo)熱系數(shù)與壓縮壓力無關(guān)，他們認(rèn)為這種趨勢(shì)主要是由于通過空氣的熱傳遞引起的，盡管其導(dǎo)熱系數(shù)低于固體碳纖維的導(dǎo)熱系數(shù)。值得注意的是，根據(jù)TORAY材料的規(guī)格參數(shù)，不考慮紙張厚度時(shí)，TORAY碳紙厚度方向?qū)嵯禂?shù)在室溫下為1.7 W/mK。沒有關(guān)于TORAY所使用的測(cè)量方法的公開信息，此外，在已發(fā)表的文獻(xiàn)中關(guān)于獲得該值所需的壓縮壓力存在很大差異。例如，根據(jù)Khandelwal和Mench和Burheim等人的研究[8,11]，壓縮壓力對(duì)整體導(dǎo)熱系數(shù)有顯著影響，而在參考文獻(xiàn)中可以看出這種情況并非如此[17~20]。

通過對(duì)大量文獻(xiàn)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在氣體擴(kuò)散層（GDL）厚度方向熱導(dǎo)率測(cè)試中很多研究機(jī)構(gòu)選擇穩(wěn)態(tài)法測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)，主要出于以下幾方面的考慮：

（1）同時(shí)兼顧氣體擴(kuò)散層樣品面內(nèi)方向?qū)嵯禂?shù)的測(cè)試。

（2）同時(shí)兼顧氣體擴(kuò)散層樣品厚度方向電導(dǎo)率的測(cè)試。

（3）可進(jìn)行儀器結(jié)構(gòu)擴(kuò)展以兼顧薄膜樣品面內(nèi)方向電導(dǎo)率和導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試。

由于在穩(wěn)態(tài)法測(cè)試儀器研制過程中，缺乏對(duì)測(cè)試模型和邊界條件的深刻理解，缺乏儀器設(shè)計(jì)和高精度制造的能力，缺乏校準(zhǔn)和考核儀器的技術(shù)手段，以及穩(wěn)態(tài)法自身存在的局限性，這些都會(huì)造成穩(wěn)態(tài)法測(cè)試儀器對(duì)薄膜導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量產(chǎn)生較大誤差，使得薄膜熱物理性能變化規(guī)律很容易淹沒在儀器的系統(tǒng)誤差內(nèi)。

縱觀各種穩(wěn)態(tài)法測(cè)試儀器，在薄膜材料厚度方向?qū)嵯禂?shù)測(cè)試應(yīng)用中普遍存在的問題以及測(cè)試方法固有的局限性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）溫度傳感器的選擇：溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性差是目前穩(wěn)態(tài)法薄膜導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量的最嚴(yán)重問題。溫度測(cè)量涉及到流經(jīng)薄膜樣品厚度方向熱流測(cè)量和薄膜樣品厚度方向上兩個(gè)表面上的溫度差，因此溫度測(cè)量對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻測(cè)量精度有著直接影響。盡管在穩(wěn)態(tài)法中溫度測(cè)量可以是相對(duì)形式（溫差值），但對(duì)溫度傳感器的靈敏度、穩(wěn)定性和一致性要求非常高。絕大多數(shù)自制穩(wěn)態(tài)法儀器普遍采用細(xì)徑鎧裝熱電偶進(jìn)行測(cè)溫，采用細(xì)徑主要是為了減少鎧裝熱電偶金屬套管帶來的側(cè)向散熱損失。而熱電偶是一種測(cè)溫精度較差的溫度傳感器，在常溫附近更容易引起較大誤差，所以熱電偶的測(cè)溫精度根本無法滿足要求。但如果選擇精度合適的電阻溫度傳感器，則會(huì)增大傳感器尺寸，帶來更大的定位誤差，同時(shí)會(huì)增加傳感器自身導(dǎo)熱帶來的散熱損失。

（2）溫度傳感器的校準(zhǔn)和配套措施：溫度傳感器除了在安裝前需要進(jìn)行自身校準(zhǔn)之外，因?yàn)闇囟葌鞲衅鬟€涉及到熱流測(cè)量和樣品表面溫度的推算，安裝后的溫度傳感器還需要進(jìn)行一系列的在線校準(zhǔn)來對(duì)傳感器和裝置做出準(zhǔn)確的評(píng)估和合理的修正。另外，為了防止溫度傳感器引線帶了的側(cè)向熱損，需要配套專門用于熱電偶引線的熱防護(hù)裝置，這勢(shì)必使得整個(gè)測(cè)量裝置非常復(fù)雜。A-S-T-M D5470只是給出了原則性的規(guī)定，并沒有詳細(xì)的描述，這方面內(nèi)容在A-S-T-M C177中有著詳細(xì)描述以及試驗(yàn)考核驗(yàn)證過程。

（3）對(duì)于薄膜厚度方向?qū)嵯禂?shù)測(cè)試，薄膜樣品厚度，特別是在線受壓時(shí)的厚度要求均勻性要好，這就對(duì)測(cè)量裝置的機(jī)械移動(dòng)機(jī)構(gòu)和在線厚度測(cè)量機(jī)構(gòu)提出非常高的要求，位移、平行度和位移測(cè)量至少要達(dá)到微米量級(jí)精度，否則很容易在加載壓力過程中使得薄膜樣品產(chǎn)生傾斜而帶來很大的熱阻和導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量誤差。同時(shí)，還需要測(cè)試儀器在整個(gè)生命周期內(nèi)始終保持這個(gè)高精度。

（4）綜上所述，可以將穩(wěn)態(tài)法導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻測(cè)量裝置等效看作是一個(gè)精度更高的大號(hào)螺旋千分卡尺，位移及其厚度測(cè)量精度至少優(yōu)于10微米，而且還要保證平行度，同時(shí)還要布置上多只溫度傳感器及其主動(dòng)和被動(dòng)熱防護(hù)裝置。所有這些都會(huì)使得相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)法測(cè)試儀器較為復(fù)雜，在選材、設(shè)計(jì)和加工制作中要十分謹(jǐn)慎，并經(jīng)過一系列復(fù)雜的校準(zhǔn)和考核試驗(yàn)后，儀器才能正常使用。目前我們看到的國(guó)內(nèi)外大多數(shù)自制的穩(wěn)態(tài)法測(cè)試儀器，包括國(guó)內(nèi)一些儀器廠商生產(chǎn)的一些低價(jià)的穩(wěn)態(tài)法測(cè)試儀器，只能屬于教學(xué)類儀器，根本經(jīng)不起規(guī)范的考核驗(yàn)證的檢驗(yàn)，無法真正在科研生產(chǎn)中進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，使得很多材料特征及其變化規(guī)律往往淹沒在巨大的測(cè)試誤差范圍內(nèi)。

3.2. 瞬態(tài)法

瞬態(tài)法不同于穩(wěn)態(tài)法需要人為加載一個(gè)較大的溫度梯度，瞬態(tài)法測(cè)量時(shí)只是在穩(wěn)態(tài)樣品上施加一個(gè)1℃左右的微小溫度擾動(dòng)，測(cè)量由于溫度擾動(dòng)所引起的溫度幅度或相位變化，測(cè)試過程更快捷，測(cè)試邊界條件更接近于薄膜材料的真實(shí)使用環(huán)境，直接得到的測(cè)量結(jié)果往往是熱擴(kuò)散系數(shù)。盡管瞬態(tài)法理論模型和數(shù)據(jù)處理十分復(fù)雜，但測(cè)量裝置十分簡(jiǎn)單，可以直接放置在各種實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，特別適用于老化過程中薄膜材料性能的實(shí)時(shí)衰減考核。

在ISO 22007標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法中，比較全面的對(duì)各種瞬態(tài)法做出了規(guī)定。但針對(duì)氣體擴(kuò)散層（GDL）厚度方向?qū)嵯禂?shù)在壓力加載過程中的測(cè)試，比較合適的瞬態(tài)法是溫度波法和激光閃光法。由于瞬態(tài)熱線法和平面熱源法測(cè)量的是體積導(dǎo)熱系數(shù)，無法明確測(cè)量厚度方向?qū)嵯禂?shù)，并不適合各向異性GDL厚度方向?qū)嵯禂?shù)測(cè)試。

3.2.1. 溫度波法

ISO 22007-3規(guī)定了一種溫度波分析方法[21]，用于確定薄膜和塑料板在整個(gè)厚度方向上的熱擴(kuò)散系數(shù)。溫度波法是一種通過測(cè)量樣品前后表面之間溫度波的相移來測(cè)量薄而扁平樣品厚度方向熱擴(kuò)散系數(shù)的方法。使用在樣品兩個(gè)表面上濺射或接觸的電阻器，一個(gè)作為加熱器，通過交流焦耳加熱產(chǎn)生溫度波，另一個(gè)作為溫度計(jì)來檢測(cè)溫度波。

ISO 22007-3中給出了溫度波法測(cè)量裝置示意圖，如圖3-3所示，同時(shí)還給出了直接濺射到薄膜樣品前后表面上的加熱器和傳感器元件的示例，如圖3-4所示。

圖3-3 溫度波法熱擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量裝置示意圖

圖3-4 加熱器和傳感器單元示例

從上述描述中可以看出，溫度波法測(cè)量裝置包括彼此面對(duì)的微加熱器和溫度傳感器，樣品安裝在它們之間。向加熱器提供弱的正弦電功率信號(hào)，在樣品表面上產(chǎn)生溫度波。溫度傳感器是一種高靈敏度電阻傳感器，它使用前置放大器在將弱信號(hào)進(jìn)入鎖相放大器之前對(duì)其進(jìn)行放大。觀察到的溫度信號(hào)是激發(fā)溫度波和背景溫度信號(hào)的混合，例如環(huán)境的溫度。在交流測(cè)量中，鎖定放大的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠提取和分析信號(hào)中僅一個(gè)指定頻率分量的變化，抵消室溫變化的影響（誤差的主要來源）以及噪聲成分實(shí)現(xiàn)高靈敏度測(cè)量。通過將實(shí)際施加的溫度波幅度限制在1℃以內(nèi)或更低，可以有效地抑制對(duì)流和輻射，并確保幾乎不損壞樣品。此外，如果采用極小的傳感器尺寸則可識(shí)別更小樣品區(qū)域內(nèi)的熱擴(kuò)散系數(shù)。

由此可以看出，在樣品的夾持、厚度控制和測(cè)量方面，溫度波法與穩(wěn)態(tài)法基本相同，溫度波法也可以在測(cè)量過程中對(duì)樣品加載一定的壓力，但溫度波法則規(guī)避了穩(wěn)態(tài)法溫度和熱流測(cè)量方面的復(fù)雜問題，并采用交流加熱和鎖相放大技術(shù)可以有效的提取測(cè)量信號(hào)和減少誤差，可以對(duì)薄膜材料進(jìn)行高靈敏測(cè)量。

溫度波法對(duì)薄膜熱性能測(cè)試有著明顯優(yōu)勢(shì)，Morikawa和Hashimoto[22]采用此方法對(duì)芳香族族聚酰亞胺薄膜厚度方向熱擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，獲得了10~570K溫度范圍內(nèi)厚度范圍為0.1~300μm的薄膜熱擴(kuò)散系數(shù)。

但從圖34所示的樣品制備中可以看出，需要在薄膜樣品的兩個(gè)表面上進(jìn)行繁瑣的濺射工藝處理，這明顯制約了溫度波法的廣泛應(yīng)用，這也是ISO 22007-3溫度波法標(biāo)準(zhǔn)頒布這么多年來一致沒有推廣使用的主要原因。

3.2.2. 激光閃光法

在ISO 22007-4對(duì)激光閃光法也做出的規(guī)定[23]。激光閃光法的原理是使用短能量脈沖（通常由激光提供）照射樣品的正面，并使用紅外探測(cè)器記錄樣品背面的后續(xù)溫度升高。從樣品背面的溫度-時(shí)間曲線的形狀和樣品厚度，可以確定樣品的熱擴(kuò)散率。對(duì)于具有多孔或透明性質(zhì)的薄膜材料，它們必須在測(cè)試前進(jìn)行涂覆以確保分別在前后面進(jìn)行吸收和發(fā)射。激光閃光法測(cè)量原理和樣品表面處理如圖3-5所示。

圖3-5 激光閃光法測(cè)量原理和樣品表面處理示意圖

激光閃光法最大的特點(diǎn)是非接觸測(cè)量，很容易進(jìn)行各種溫度下的測(cè)試，因此激光閃光法在薄膜熱物理性能測(cè)試中應(yīng)用十分廣泛。但對(duì)于氣體擴(kuò)散層（GDL）這種特殊薄膜材料的測(cè)試，采用激光閃光法則存在以下問題：

（1）氣體擴(kuò)散層（GDL）是一種多孔材料，相對(duì)于激光而言屬于透光材料，在采用激光閃光法測(cè)試是需要對(duì)GDL樣品進(jìn)行表面處理，需要鍍金和噴涂石墨來進(jìn)行遮光處理，但這樣的樣品表面處理會(huì)使涂層材料通過孔隙進(jìn)入GDL樣品而對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來嚴(yán)重影響。

（2）GDL薄膜材料需要在可控壓力加載情況下進(jìn)行測(cè)試，而普通的激光閃光法測(cè)量裝置并不具備壓力加載和控制能力，由此使得激光閃光法很少用于GDL導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試。

3.2.3. 瞬態(tài)法特點(diǎn)和應(yīng)用中存在的問題

在薄膜材料熱性能測(cè)試方面，穩(wěn)態(tài)法與瞬態(tài)法有著明顯區(qū)別和各自的顯著特點(diǎn)。

穩(wěn)態(tài)法是基于溫度和熱流處于不隨時(shí)間變化的穩(wěn)定狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試的一種方法，測(cè)量薄膜材料熱性能基本是基于較厚塊體樣品的測(cè)試軟硬件體系。而在薄膜材料穩(wěn)態(tài)法測(cè)試過程中，由于樣品厚度的減小，相應(yīng)的被測(cè)信號(hào)（如溫度和熱流）相應(yīng)的也會(huì)變小，這使得在塊體樣品測(cè)試中一些并不明顯的問題得到了放大和凸出，如溫度傳感器精度、熱損影響和測(cè)量表面精度等。為了解決因樣品變薄所帶來的一系列問題，就需要增加相應(yīng)的輔助措施來保證測(cè)試滿足邊界條件，從而造成測(cè)試設(shè)備整體十分復(fù)雜，并需要進(jìn)行一系列的校準(zhǔn)驗(yàn)證考核試驗(yàn)，但效果并不十分明顯。從另一個(gè)方面來看，穩(wěn)態(tài)法是在塊體材料熱性能基礎(chǔ)上發(fā)展起來的測(cè)試方法，對(duì)于較大尺寸的塊體樣品測(cè)試技術(shù)非常成熟和穩(wěn)定。為了進(jìn)行薄膜材料測(cè)試，在穩(wěn)態(tài)法上做的任何工作都是在挖掘穩(wěn)態(tài)法的潛力，是對(duì)穩(wěn)態(tài)法測(cè)試能力區(qū)間的下限進(jìn)行進(jìn)一步的拓展，但畢竟是測(cè)試能力下限，受到了穩(wěn)態(tài)法自身的制約，這種擴(kuò)展空間十分有限且效果很難保證。這也是市場(chǎng)上沒有可用于薄膜材料熱性能測(cè)試儀器的主要原因。

瞬態(tài)法與穩(wěn)態(tài)法恰恰相反，瞬態(tài)法是基于樣品材料對(duì)熱激勵(lì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的一種測(cè)試方法，被測(cè)樣品越薄，對(duì)熱激勵(lì)的響應(yīng)越快，所以瞬態(tài)法的核心是檢測(cè)物理量隨時(shí)間變化快慢的問題。同時(shí)，在被測(cè)樣品對(duì)熱激勵(lì)的快速響應(yīng)過程中，周圍環(huán)境和其他邊界條件的影響反而變得很小，這就是瞬態(tài)法測(cè)試設(shè)備往往比較簡(jiǎn)單的主要原因。最主要的是，隨著技術(shù)的發(fā)展，塊體樣品（特別是薄膜材料）對(duì)熱激勵(lì)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，在當(dāng)前的電子檢測(cè)技術(shù)面前都不屬于快速測(cè)量范疇，采用目前的各種電子技術(shù)手段很容易對(duì)熱激勵(lì)響應(yīng)進(jìn)行快速和準(zhǔn)確測(cè)量。從另一方面理解，就是針對(duì)材料的熱性能測(cè)試，瞬態(tài)法可以針對(duì)不同被測(cè)樣品厚度范圍（響應(yīng)時(shí)間）采用相應(yīng)響應(yīng)頻率范圍的電子儀器和設(shè)備來實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量，而目前電子儀器設(shè)備的測(cè)試能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過薄膜材料熱性能測(cè)試的需求。這就是瞬態(tài)法自身的最大優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也是目前市場(chǎng)上薄膜材料熱性能測(cè)試儀器大多采用瞬態(tài)法的主要原因。

瞬態(tài)法與穩(wěn)態(tài)法一樣，在實(shí)際應(yīng)用中都存在以下幾方面的共性問題：

（1）在線厚度的均勻性和準(zhǔn)確測(cè)量問題：樣品尺寸越大，樣品厚度越小，厚度均勻性越難保證。穩(wěn)態(tài)法由于要布置多只溫度傳感器而使得樣品面積尺寸沒有多少減少余地，所以在厚度均勻性保證上有一個(gè)極限值。但瞬態(tài)法在樣品尺寸變化上則有很大空間，瞬態(tài)法可以根據(jù)激勵(lì)源和探測(cè)器的尺寸來改變樣品尺寸大小，樣品可以做到很小尺寸，如激光閃光法樣品尺寸可以做到直徑5~12mm，溫度波法樣品尺寸還可以更小，由此使得瞬態(tài)法更容易保證樣品厚度的均勻性以及在線準(zhǔn)確測(cè)量。

（2）接觸熱阻問題：無論是穩(wěn)態(tài)法還是瞬態(tài)法，測(cè)量中都會(huì)面臨接觸熱阻問題，在薄膜材料測(cè)試中會(huì)更為明顯。穩(wěn)態(tài)法解決接觸熱阻問題是通過測(cè)量一系列相同材質(zhì)和表面狀態(tài)但厚度不同的樣品，通過測(cè)試結(jié)果推算出接觸熱阻。但對(duì)于薄膜材料而言，一系列不同厚度薄膜樣品很難加工制作，另外薄膜厚度均勻性問題也會(huì)造成接觸熱阻測(cè)量誤差很大。因此無論是穩(wěn)態(tài)法還是瞬態(tài)法，采用變厚度測(cè)量方法測(cè)試接觸熱阻只能算是一種無奈之舉。在瞬態(tài)法測(cè)試過程中，可以將接觸熱阻看作是另一種材質(zhì)的樣品薄膜，整個(gè)測(cè)試模型就可以看作是一個(gè)多層薄膜結(jié)構(gòu)的測(cè)試問題。只要采用瞬態(tài)法測(cè)量結(jié)果推算出各分層樣品的熱性能參數(shù)，就可以消除接觸熱阻的影響。隨著瞬態(tài)法理論模型的發(fā)展，目前已經(jīng)找到多層結(jié)構(gòu)求解的技術(shù)途徑，還需要進(jìn)一步的模擬計(jì)算和試驗(yàn)考核以驗(yàn)證此方法的準(zhǔn)確性和可靠性。

（3）多層膜問題：大多數(shù)薄膜材料在實(shí)際應(yīng)用中都是沉積在基材上，或是與其他薄膜材料進(jìn)行復(fù)合后使用，呈現(xiàn)單層結(jié)構(gòu)并能用于測(cè)量的薄膜材料很少，因此更有應(yīng)用價(jià)值的是多層膜的測(cè)試問題，特別是對(duì)于多層膜樣品要能夠測(cè)試出各個(gè)單層薄膜的熱物性參數(shù)，同時(shí)還要考慮壓縮力等外部環(huán)境條件。多層膜問題與接觸熱阻問題類似，核心都是一個(gè)根據(jù)瞬態(tài)法測(cè)量結(jié)果求解單層膜信息的科學(xué)問題。

4. 瞬態(tài)法測(cè)試技術(shù)的深入研究

從上述瞬態(tài)法特點(diǎn)和存在問題中可以看出，對(duì)于薄膜材料，特別是對(duì)于質(zhì)子交換膜燃料電池氣體擴(kuò)散層薄膜材料，瞬態(tài)法測(cè)試中很大的問題是要對(duì)每個(gè)被測(cè)氣體擴(kuò)散層樣品進(jìn)行表面加工和處理，這顯然會(huì)增大測(cè)試的難度和工作量。如果樣品材料的剛度不夠而發(fā)生皺著和彎曲，則會(huì)很難制造合適的被測(cè)薄膜樣品，因此薄膜測(cè)試中被測(cè)樣品的制作和提取一直是個(gè)比較棘手的問題。

我們通過分析，對(duì)瞬態(tài)法測(cè)試技術(shù)進(jìn)行了更深入的研究，特別是在被測(cè)樣品環(huán)節(jié)提出了一種新的試驗(yàn)方法。這種新方法就是不在被測(cè)樣品上進(jìn)行任何處理，將原來對(duì)樣品表面的處理轉(zhuǎn)移到兩片基材上，通過兩片基材把被測(cè)樣品夾持在中心位置來達(dá)到樣品表面處理的相同效果。新方法的原理如圖4-1所示。

圖4-1 瞬態(tài)法新型模型原理示意圖

針對(duì)不同的瞬態(tài)測(cè)試方法，這種改進(jìn)后的瞬態(tài)法模型可以有不同結(jié)構(gòu)形式，并具有以下幾方面的功能和特點(diǎn)：

（1）對(duì)于溫度波法而言，基體就相當(dāng)于圖3-4中的背板，可以將加熱器、探測(cè)器和電極引線直接濺射在背板上，然后將被測(cè)薄膜樣品加持在兩塊背板之間。這樣避免了對(duì)被測(cè)樣品的表面處理，通過已經(jīng)制作成型的背板對(duì)各種樣品進(jìn)行測(cè)試。

（2）不對(duì)樣品進(jìn)行表面處理，可以避免直接在樣品表面進(jìn)行沉積涂層過程中涂層材料進(jìn)入多孔薄膜對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，這對(duì)于氣體擴(kuò)散層這種多孔材料的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試尤為重要。

（3）對(duì)于激光閃光法而言，基體材料為剛性透明材料，激勵(lì)層和探測(cè)層為沉積在基體材料表面的金屬材料，然后表面在噴涂石墨層。這相當(dāng)于將以往對(duì)透明樣品的表面處理形式挪用到對(duì)基體材料的表面驚醒處理。作為激勵(lì)源的激光脈沖經(jīng)過透明的基體材料照射到激勵(lì)層使得激勵(lì)層溫度快速升高，同時(shí)熱量穿過被測(cè)樣品到達(dá)探測(cè)層。探測(cè)層的溫度變化透過透明基體被探測(cè)器檢測(cè)，這個(gè)測(cè)試過程與普通激光閃光法完全相同，不同的是要考慮熱量在多層結(jié)構(gòu)中的傳遞，而不是以往那樣僅有被測(cè)樣品一層。在實(shí)際薄膜激光閃光法測(cè)試過程中，經(jīng)過表面處理后的樣品，也應(yīng)該按照多層結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理才能真正得到薄膜樣品的測(cè)量結(jié)果。

（4）采用新型結(jié)構(gòu)形式的激光脈沖法，同樣規(guī)避了每次測(cè)試薄膜樣品都需要進(jìn)行表面處理的繁瑣程序，做多每次需要再在基體表面噴涂石墨以增加發(fā)射率。

（5）從理論上來說，激光閃光法也可以看作是溫度波法的一種特殊形式，普通溫度波法是周期性熱激勵(lì)和周期信號(hào)檢測(cè)，而激光閃光法則是單脈沖式的熱激勵(lì)和單個(gè)溫升信號(hào)檢測(cè)。因此，如果將激光單脈沖激勵(lì)源更換為連續(xù)激光加周期性調(diào)制，使得經(jīng)過激光束按照一定周期對(duì)激勵(lì)層進(jìn)行加熱，這就相當(dāng)于溫度波法，但可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量。

總之，采用瞬態(tài)溫度波法可以很好的進(jìn)行壓縮環(huán)境下薄膜材料的熱物性測(cè)試。如果能解決多層模型的單層熱性能參數(shù)的提取問題，解決接觸熱阻的影響，溫度波法將更為準(zhǔn)確和實(shí)用，同時(shí)也為激光閃光法開辟了更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

5. 參考文獻(xiàn)

略