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碳基气体扩散层（即：“碳纤维纸”）的典型制造过程包括三个主要步骤：湿铺、碳化和石墨化。 在湿铺过程中，使用可碳化树脂浸渍碳纤维（通常为聚丙烯腈PAN基碳纤维），可碳化树脂用作单束纤维的粘合剂，使用造纸机形成浸渍碳纤维的薄层。一旦达到所需的厚度或堆叠层数后，进一步对材料进行热轧，以融合碳纤维并固化粘合剂树脂；随后，通过碳化进行固化，并进行石墨化。
从本质上讲，碳化和石墨化都是热处理过程。这两个过程又有什么不同？热处理后，它们可以产生具有不同性质的不同形式的碳。具体而言，碳化通常在600至1200°C的惰性条件下进行，碳化除去了碳纤维纸中的挥发性物质，如水、气体和一些轻质有机化合物，从而产生富含碳的材料。碳化后，碳纤维纸可能保留了其初始结构和性能。 相比之下，石墨化是在比碳化更高的温度下进行。石墨化通常是在高于1000°C以上的温度对碳材料进行热处理。正如所料，这种高温加热也会改变碳纤维纸的成分。与碳化类似，石墨化产生富含碳的材料，这些材料的碳浓度甚至远远高于那些只经过碳化的材料。 随着石墨化温度从1300°C提高到2700°C，PAN基碳纤维的碳含量可以从93.85%提高到99.87%（如下图所示）。除此之外，石墨化碳基材料还经历了脱氢和脱氮。例如，在2700°C石墨化后，氢气和氮气浓度均低于0.05%。在石墨化过程中观察到的这些成分变化通常伴随着结构变化。
石墨化引起的结构变化 碳纤维是无定形材料，这也就意味着，它们的原子排列不呈现长程有序。简单地说，碳纤维最初是由随机取向的碳原子组成的。在热处理的初始阶段，碳-碳键被分解，氢、氮等挥发性成分蒸发，留下富含碳的结构。最终，在如此高的温度下长时间加热会给碳原子足够的能量，让它们重新排列自己，实现更有序的结构。
在石墨化过程中，碳原子倾向于形成六边形环，然后堆叠成平行的层，形成类似于石墨的结构。简单地说，石墨化使碳纤维纸中的碳原子呈现出更像石墨的晶体结构。然而，石墨化并不能将整个碳网络结构转化为石墨。出于这个原因，石墨化程度被用来量化碳结构转变为六边形键合原子层的程度。 更正式地说，DOG是碳材料中sp3到sp2杂化转变的量度。一般来说，高DOG意味着材料中有更多的类石墨结构。因此，该材料可能具有更高的结晶度（即，更高的结构有序度）。 石墨化温度如何影响石墨化碳纤维纸的结晶度和石墨化程度？拉曼光谱和X射线衍射测试结果表明，石墨化温度越高，石墨有序度越高，这意味着碳基材料在较高温度下表现出较高的结晶度和石墨化程度。更高的石墨化温度为碳原子提供了更多的能量，使它们更具流动性，并有助于形成优选的石墨结构。
在下一期文章中，将会进一步介绍石墨化处理对碳纤维纸力学性能、电导率和热导率、化学稳定性等性能的影响规律。 |
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