|
在上期文章中，我们简要介绍了碳纤维纸的典型制造过程，分别阐述了湿铺、碳化和石墨化的内容，并重点介绍了碳化和石墨化过程中，碳纤维结构的变化规律（阅读原文）。 而在本期文章中，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。
可以把原子想象搭建建筑结构的乐高积木。以不同的方式排列乐高积木会产生不同的结构，这反过来又会影响结构的强度、灵活性和稳定性。这简要解释了为什么探索石墨化后碳纤维的结构变化很重要。 由于石墨化将碳纤维纸原本的无定形结构转变为石墨结构，可以预期石墨化碳纤维纸的性能将变得与石墨相似。石墨由于其优异的机械性能、良好的化学稳定性以及高导热性和导电性，已广泛应用于电化学储能装置中，特别是作为超级电容器、电池、燃料电池和水电解槽的电极材料或基底。因此，在石墨化之后，会发生以下明显的性能变化：
力学性能变化 众所周知，石墨化会提高材料的杨氏模量。杨氏模量（也称为弹性模量）是材料在施加载荷下的刚度或抗变形能力的决定因素。高杨氏模量意味着材料是刚性的，在施加的力下不太可能变形。 提高杨氏模量有利于石墨化碳纸用作电化学储能装置（如燃料电池和水电解槽）中的电极材料。这些器件的核心是膜电极组件，它是通过施加高压缩力来制造的。由于石墨化碳纤维纸表现出更高的杨氏模量，它们可以承受高压缩应力而不会发生过度变形。这对于保持其孔隙率和一般所需的电化学性能来说确实至关重要。 比如，由CAPLINQ公司生产的GDL1500B是一种石墨化碳纸，已被很好地用作燃料电池和电解槽的气体扩散层或多孔传输层。除了优异的电气性能外，GDL1500B还表现出最佳的压缩性。GDL1500B的原始厚度为1.5 mm，在2mpa下可以压缩到约1.3 mm。这有利于与催化剂层的无缝接触，从而提高了设备的整体性能。 电导率和热导率变化 石墨化可以提高材料的导电性。如上所述，石墨化将无定形石墨化碳基材料的结构转变为六边形碳环层。每个环中的碳原子是共价键合的，而碳层或叠层通过弱范德华力保持在一起。 这种结构重组形成了电子可以在材料中移动的电路径，大大降低了石墨化碳纤维纸的电阻并提高了其导电性。 类似地，石墨化可以提高材料的热导率。热量在石墨结构中传播得更快，因为碳-碳键形成了一个系统，允许温差引起的振动在堆叠结构的层之间快速传播。 化学稳定性 化学稳定性是指材料暴露于不同化学环境下保持其特性和结构的能力。石墨化提高了碳纤维纸的抗氧化性，降低了反应性，并稳定了其热行为。这些对石墨化碳纤维纸在长时间的使用或应用中的性能具有积极意义。
综上所述，石墨化提高了碳基材料的机械性能（即杨氏模量）、电和热传输能力（即电导率和热导率）以及化学稳定性。而随着石墨化温度的升高，这些材料的性能会发生什么变化？ 一般来说，石墨化温度越高，石墨化程度越高。换句话说，随着石墨化温度的升高，碳基材料变得更像石墨。由此，在更高温度下石墨化的材料有望表现出更优异的类石墨性能。也就是说，石墨化温度越高，杨氏模量越高(可压缩性越低)，电导率和导热系数越高，化学稳定性越好。 |
|
|
