碳基氣體擴(kuò)散層（即：“碳纖維紙”）的典型制造過(guò)程包括三個(gè)主要步驟：濕鋪、碳化和石墨化。
在濕鋪過(guò)程中，使用可碳化樹(shù)脂浸漬碳纖維（通常為聚丙烯腈PAN基碳纖維），可碳化樹(shù)脂用作單束纖維的粘合劑，使用造紙機(jī)形成浸漬碳纖維的薄層。一旦達(dá)到所需的厚度或堆疊層數(shù)后，進(jìn)一步對(duì)材料進(jìn)行熱軋，以融合碳纖維并固化粘合劑樹(shù)脂；隨后，通過(guò)碳化進(jìn)行固化，并進(jìn)行石墨化。
碳化vs石墨化
從本質(zhì)上講，碳化和石墨化都是熱處理過(guò)程。這兩個(gè)過(guò)程又有什么不同？熱處理后，它們可以產(chǎn)生具有不同性質(zhì)的不同形式的碳。具體而言，碳化通常在600至1200°C的惰性條件下進(jìn)行，碳化除去了碳纖維紙中的揮發(fā)性物質(zhì)，如水、氣體和一些輕質(zhì)有機(jī)化合物，從而產(chǎn)生富含碳的材料。碳化后，碳纖維紙可能保留了其初始結(jié)構(gòu)和性能。
相比之下，石墨化是在比碳化更高的溫度下進(jìn)行。石墨化通常是在高于1000°C以上的溫度對(duì)碳材料進(jìn)行熱處理。正如所料，這種高溫加熱也會(huì)改變碳纖維紙的成分。與碳化類(lèi)似，石墨化產(chǎn)生富含碳的材料，這些材料的碳濃度甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于那些只經(jīng)過(guò)碳化的材料。
隨著石墨化溫度從1300°C提高到2700°C，PAN基碳纖維的碳含量可以從93.85%提高到99.87%（如下圖所示）。除此之外，石墨化碳基材料還經(jīng)歷了脫氫和脫氮。例如，在2700°C石墨化后，氫氣和氮?dú)鉂舛染陀?.05%。在石墨化過(guò)程中觀察到的這些成分變化通常伴隨著結(jié)構(gòu)變化。
石墨化引起的結(jié)構(gòu)變化
碳纖維是無(wú)定形材料，這也就意味著，它們的原子排列不呈現(xiàn)長(zhǎng)程有序。簡(jiǎn)單地說(shuō)，碳纖維最初是由隨機(jī)取向的碳原子組成的。在熱處理的初始階段，碳-碳鍵被分解，氫、氮等揮發(fā)性成分蒸發(fā)，留下富含碳的結(jié)構(gòu)。最終，在如此高的溫度下長(zhǎng)時(shí)間加熱會(huì)給碳原子足夠的能量，讓它們重新排列自己，實(shí)現(xiàn)更有序的結(jié)構(gòu)。
在石墨化過(guò)程中，碳原子傾向于形成六邊形環(huán)，然后堆疊成平行的層，形成類(lèi)似于石墨的結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，石墨化使碳纖維紙中的碳原子呈現(xiàn)出更像石墨的晶體結(jié)構(gòu)。然而，石墨化并不能將整個(gè)碳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為石墨。出于這個(gè)原因，石墨化程度被用來(lái)量化碳結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱呅捂I合原子層的程度。
更正式地說(shuō)，DOG是碳材料中sp3到sp2雜化轉(zhuǎn)變的量度。一般來(lái)說(shuō)，高DOG意味著材料中有更多的類(lèi)石墨結(jié)構(gòu)。因此，該材料可能具有更高的結(jié)晶度（即，更高的結(jié)構(gòu)有序度）。
石墨化溫度如何影響石墨化碳纖維紙的結(jié)晶度和石墨化程度？拉曼光譜和X射線(xiàn)衍射測(cè)試結(jié)果表明，石墨化溫度越高，石墨有序度越高，這意味著碳基材料在較高溫度下表現(xiàn)出較高的結(jié)晶度和石墨化程度。更高的石墨化溫度為碳原子提供了更多的能量，使它們更具流動(dòng)性，并有助于形成優(yōu)選的石墨結(jié)構(gòu)。
可以把原子想象搭建建筑結(jié)構(gòu)的樂(lè)高積木。以不同的方式排列樂(lè)高積木會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)構(gòu)，這反過(guò)來(lái)又會(huì)影響結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、靈活性和穩(wěn)定性。這簡(jiǎn)要解釋了為什么探索石墨化后碳纖維的結(jié)構(gòu)變化很重要。
由于石墨化將碳纖維紙?jiān)镜臒o(wú)定形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槭Y(jié)構(gòu)，可以預(yù)期石墨化碳纖維紙的性能將變得與石墨相似。石墨由于其優(yōu)異的機(jī)械性能、良好的化學(xué)穩(wěn)定性以及高導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，已廣泛應(yīng)用于電化學(xué)儲(chǔ)能裝置中，特別是作為超級(jí)電容器、電池、燃料電池和水電解槽的電極材料或基底。因此，在石墨化之后，會(huì)發(fā)生以下明顯的性能變化：
力學(xué)性能變化
眾所周知，石墨化會(huì)提高材料的楊氏模量。楊氏模量（也稱(chēng)為彈性模量）是材料在施加載荷下的剛度或抗變形能力的決定因素。高楊氏模量意味著材料是剛性的，在施加的力下不太可能變形。
提高楊氏模量有利于石墨化碳紙用作電化學(xué)儲(chǔ)能裝置（如燃料電池和水電解槽）中的電極材料。這些器件的核心是膜電極組件，它是通過(guò)施加高壓縮力來(lái)制造的。由于石墨化碳纖維紙表現(xiàn)出更高的楊氏模量，它們可以承受高壓縮應(yīng)力而不會(huì)發(fā)生過(guò)度變形。這對(duì)于保持其孔隙率和一般所需的電化學(xué)性能來(lái)說(shuō)確實(shí)至關(guān)重要。
比如，由CAPLINQ公司生產(chǎn)的GDL1500B是一種石墨化碳紙，已被很好地用作燃料電池和電解槽的氣體擴(kuò)散層或多孔傳輸層。除了優(yōu)異的電氣性能外，GDL1500B還表現(xiàn)出最佳的壓縮性。GDL1500B的原始厚度為1.5 mm，在2mpa下可以壓縮到約1.3 mm。這有利于與催化劑層的無(wú)縫接觸，從而提高了設(shè)備的整體性能。
電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率變化
石墨化可以提高材料的導(dǎo)電性。如上所述，石墨化將無(wú)定形石墨化碳基材料的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱呅翁辑h(huán)層。每個(gè)環(huán)中的碳原子是共價(jià)鍵合的，而碳層或疊層通過(guò)弱范德華力保持在一起。
這種結(jié)構(gòu)重組形成了電子可以在材料中移動(dòng)的電路徑，大大降低了石墨化碳纖維紙的電阻并提高了其導(dǎo)電性。
類(lèi)似地，石墨化可以提高材料的熱導(dǎo)率。熱量在石墨結(jié)構(gòu)中傳播得更快，因?yàn)樘?碳鍵形成了一個(gè)系統(tǒng)，允許溫差引起的振動(dòng)在堆疊結(jié)構(gòu)的層之間快速傳播。
化學(xué)穩(wěn)定性
化學(xué)穩(wěn)定性是指材料暴露于不同化學(xué)環(huán)境下保持其特性和結(jié)構(gòu)的能力。石墨化提高了碳纖維紙的抗氧化性，降低了反應(yīng)性，并穩(wěn)定了其熱行為。這些對(duì)石墨化碳纖維紙?jiān)陂L(zhǎng)時(shí)間的使用或應(yīng)用中的性能具有積極意義。
綜上所述，石墨化提高了碳基材料的機(jī)械性能（即楊氏模量）、電和熱傳輸能力（即電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率）以及化學(xué)穩(wěn)定性。而隨著石墨化溫度的升高，這些材料的性能會(huì)發(fā)生什么變化？
一般來(lái)說(shuō)，石墨化溫度越高，石墨化程度越高。換句話(huà)說(shuō)，隨著石墨化溫度的升高，碳基材料變得更像石墨。由此，在更高溫度下石墨化的材料有望表現(xiàn)出更優(yōu)異的類(lèi)石墨性能。也就是說(shuō)，石墨化溫度越高，楊氏模量越高(可壓縮性越低)，電導(dǎo)率和導(dǎo)熱系數(shù)越高，化學(xué)穩(wěn)定性越好。
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