碳基氣體擴散層（即：“碳纖維紙”）的典型制造過程包括三個主要步驟：濕鋪、碳化和石墨化。
在濕鋪過程中，使用可碳化樹脂浸漬碳纖維（通常為聚丙烯腈PAN基碳纖維），可碳化樹脂用作單束纖維的粘合劑，使用造紙機形成浸漬碳纖維的薄層。一旦達到所需的厚度或堆疊層數后，進一步對材料進行熱軋，以融合碳纖維并固化粘合劑樹脂；隨后，通過碳化進行固化，并進行石墨化。
碳化vs石墨化
從本質上講，碳化和石墨化都是熱處理過程。這兩個過程又有什么不同？熱處理后，它們可以產生具有不同性質的不同形式的碳。具體而言，碳化通常在600至1200°C的惰性條件下進行，碳化除去了碳纖維紙中的揮發性物質，如水、氣體和一些輕質有機化合物，從而產生富含碳的材料。碳化后，碳纖維紙可能保留了其初始結構和性能。
相比之下，石墨化是在比碳化更高的溫度下進行。石墨化通常是在高于1000°C以上的溫度對碳材料進行熱處理。正如所料，這種高溫加熱也會改變碳纖維紙的成分。與碳化類似，石墨化產生富含碳的材料，這些材料的碳濃度甚至遠遠高于那些只經過碳化的材料。
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歷了脫氫和脫氮。例如，在2700°C石墨化后，氫氣和氮氣濃度均低于0.05%。在石墨化過程中觀察到的這些成分變化通常伴隨著結構變化。
石墨化引起的結構變化
碳纖維是無定形材料，這也就意味著，它們的原子排列不呈現長程有序。簡單地說，碳纖維最初是由隨機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、氮等揮發性成分蒸發，留下富含碳的結構。最終，在如此高的溫度下長時間加熱會給碳原子足夠的能量，讓它們重新排列自己，實現更有序的結構。
在石墨化過程中，碳原子傾向于形成六邊形環，然后堆疊成平行的層，形成類似于石墨的結構。簡單地說，石墨化使碳纖維紙中的碳原子呈現出更像石墨的晶體結構。然而，石墨化并不能將整個碳網絡結構轉化為石墨。出于這個原因，石墨化程度被用來量化碳結構轉變為六邊形鍵合原子層的程度。
更正式地說，DOG是碳材料中sp3到sp2雜化轉變的量度。一般來說，高DOG意味著材料中有更多的類石墨結構。因此，該材料可能具有更高的結晶度（即，更高的結構有序度）。
石墨化溫度如何影響石墨化碳纖維紙的結晶度和石墨化程度？拉曼光譜和X射線衍射測試結果表明，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出較高的結晶度和石墨化程度。更高的石墨化溫度為碳原子提供了更多的能量，使它們更具流動性，并有助于形成優選的石墨結構。
可以把原子想象搭建建筑結構的樂高積木。以不同的方式排列樂高積木會產生不同的結構，這反過來又會影響結構的強度、靈活性和穩定性。這簡要解釋了為什么探索石墨化后碳纖維的結構變化很重要。
由于石墨化將碳纖維紙原本的無定形結構轉變為石墨結構，可以預期石墨化碳纖維紙的性能將變得與石墨相似。石墨由于其優異的機械性能、良好的化學穩定性以及高導熱性和導電性，已廣泛應用于電化學儲能裝置中，特別是作為超級電容器、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，會發生以下明顯的性能變化：
力學性能變化
眾所周知，石墨化會提高材料的楊氏模量。楊氏模量（也稱為彈性模量）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儲能裝置（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，它是通過施加高壓縮力來制造的。由于石墨化碳纖維紙表現出更高的楊氏模量，它們可以承受高壓縮應力而不會發生過度變形。這對于保持其孔隙率和一般所需的電化學性能來說確實至關重要。
比如，由CAPLINQ公司生產的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散層或多孔傳輸層。除了優異的電氣性能外，GDL1500B還表現出最佳的壓縮性。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縫接觸，從而提高了設備的整體性能。
電導率和熱導率變化
石墨化可以提高材料的導電性。如上所述，石墨化將無定形石墨化碳基材料的結構轉變為六邊形碳環層。每個環中的碳原子是共價鍵合的，而碳層或疊層通過弱范德華力保持在一起。
這種結構重組形成了電子可以在材料中移動的電路徑，大大降低了石墨化碳纖維紙的電阻并提高了其導電性。
類似地，石墨化可以提高材料的熱導率。熱量在石墨結構中傳播得更快，因為碳-碳鍵形成了一個系統，允許溫差引起的振動在堆疊結構的層之間快速傳播。
化學穩定性
化學穩定性是指材料暴露于不同化學環境下保持其特性和結構的能力。石墨化提高了碳纖維紙的抗氧化性，降低了反應性，并穩定了其熱行為。這些對石墨化碳纖維紙在長時間的使用或應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械性能（即楊氏模量）、電和熱傳輸能力（即電導率和熱導率）以及化學穩定性。而隨著石墨化溫度的升高，這些材料的性能會發生什么變化？
一般來說，石墨化溫度越高，石墨化程度越高。換句話說，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出更優異的類石墨性能。也就是說，石墨化溫度越高，楊氏模量越高(可壓縮性越低)，電導率和導熱系數越高，化學穩定性越好。
