炭化過(guò)程施壓對(duì)氣體擴(kuò)散層用碳紙結(jié)構(gòu)與性能的影響

方 滔，陳 力，廉博博，胡 健，李海龍

(華南理工大學(xué) 輕工科學(xué)與工程學(xué)院，廣州 510641)

質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)是一種將氫氣所具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)裝置，由于其具有清潔環(huán)保、節(jié)能高效等優(yōu)點(diǎn)，在汽車移動(dòng)電源﹑家庭式固定電源﹑潛艇和飛機(jī)等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景[1-3]。氣體擴(kuò)散層(gas diffusion layer，GDL)作為PEMFC的核心部件，在燃料電池的運(yùn)行中起著至關(guān)重要的作用，如提供氣體和水的運(yùn)輸通道、支撐催化劑層、提供電子運(yùn)輸通道和解決散熱問(wèn)題[4-5]。

目前，碳紙是應(yīng)用最為廣泛的GDL基底材料，其主要由短切碳纖維通過(guò)濕法成形制備得到碳纖維原紙，再將原紙浸漬酚醛樹脂，之后依次經(jīng)過(guò)模壓固化、炭化、石墨化制備而成[6]。炭化是制備碳紙的重要工序。在這個(gè)過(guò)程中，酚醛樹脂轉(zhuǎn)變?yōu)闃渲?，自身的化學(xué)組成、微觀結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)發(fā)生巨大變化，其與碳纖維的結(jié)合界面也由樹脂-纖維界面向樹脂炭-纖維界面發(fā)生轉(zhuǎn)變[7]。碳紙的最終性能在很大程度上取決于碳纖維和樹脂炭的結(jié)構(gòu)以及二者的界面結(jié)合狀態(tài)[6,8]。

由于炭前驅(qū)體在炭化過(guò)程中有氣體副產(chǎn)物的生成，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理，壓力對(duì)炭化過(guò)程及炭化產(chǎn)物的性質(zhì)具有重要影響。迄今為止，研究者們對(duì)多種碳材料的加壓熱處理工藝進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)探究。Ogawa等[9-10]研究發(fā)現(xiàn)，將瀝青與酚醛樹脂的混合粉末置于30 MPa壓力、600 ℃溫度下進(jìn)行熱處理后，其殘?zhí)柯矢哌_(dá)80%，遠(yuǎn)高于常壓下的60%。Inagaki等[11]進(jìn)一步探究了不同壓力下瀝青和酚醛樹脂混合粉末經(jīng)2950 ℃處理后的結(jié)構(gòu)演變情況，結(jié)果表明，當(dāng)壓力為30 MPa時(shí)，炭化產(chǎn)物具有較高的石墨化度，此時(shí)的層間距為0.337 nm，接近于理想石墨層間距的值(0.3354 nm)。王俊山等[12]利用高壓浸漬和高壓熱處理技術(shù)，獲得了高密度的瀝青基復(fù)合材料。此外，鞏前明等[13]利用掃描電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡對(duì)不同壓力下炭化所得的瀝青焦的形貌進(jìn)行了觀察。結(jié)果表明，低壓炭化時(shí)，瀝青焦疏松多孔，體積密度較低；高壓炭化時(shí)，瀝青焦體積密度明顯增大，孔隙率降低。綜上所述，壓力是影響炭化過(guò)程的重要參數(shù)之一，其對(duì)炭化產(chǎn)物的性質(zhì)將產(chǎn)生直接影響。通過(guò)加壓炭化可以起到改變炭化行為、提高炭化產(chǎn)物收率、促使碳結(jié)構(gòu)石墨化等作用，積極開展這方面的研究工作對(duì)于高性能、多功能碳材料的開發(fā)具有重要意義。

目前，針對(duì)碳紙的炭化工藝研究主要集中于溫度、停留時(shí)間、升溫速率等參數(shù)對(duì)碳紙結(jié)構(gòu)與性能的影響，關(guān)于炭化階段施加壓力的研究鮮有報(bào)道。因此，本工作在炭化階段通過(guò)改變壓制石墨板的數(shù)量來(lái)對(duì)碳紙施加不同的壓力，探究不同壓力下碳紙的結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，同時(shí)研究施加壓力對(duì)碳紙的體密度、厚度、平面電阻率、孔徑分布、表面粗糙度及力學(xué)性能的影響，揭示碳紙結(jié)構(gòu)演變對(duì)宏觀性能的影響規(guī)律，為制備出高性能的碳紙?zhí)峁┬碌乃悸贰?/p>

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

碳紙?jiān)?，?shí)驗(yàn)室自制；石墨板，株洲鑫韻科技發(fā)展有限公司。

1.2 加壓炭化工藝

本實(shí)驗(yàn)采用濕法成形工藝制備碳紙?jiān)?。首先將原紙裁成尺寸?40 mm × 140 mm的試樣，逐一浸漬酚醛樹脂溶液并控制相同上膠量，然后對(duì)浸膠原紙進(jìn)行熱壓，之后將熱壓紙置于箱式氣氛爐中，通過(guò)改變石墨板數(shù)量來(lái)控制施加壓力的大小，具體如圖1所示。整個(gè)炭化過(guò)程以氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，以10 ℃/min升溫至1600 ℃并保溫1 h，隨爐冷卻后得到施加不同壓力的碳紙樣品。將制備的碳紙樣品按照CP-X格式進(jìn)行編號(hào)，其中XPa(X=0/300/900/3600)代表施加的壓力大小。

圖1 加壓工藝示意圖Fig.1 Schematic diagram of pressurization process

1.3 表征及性能測(cè)試

1.3.1 微觀形貌

采用掃描電子顯微鏡(Phenom-World G2Pro Y)觀察碳紙表面及斷面的微觀形貌。

1.3.2 表面碳結(jié)構(gòu)

采用拉曼光譜儀(LabRAM Aramis)分別對(duì)碳紙中樹脂炭和碳纖維的表面碳結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。拉曼光譜儀共聚焦橫向分辨率為1 μm，測(cè)量范圍400～4000 cm-1。

1.3.3 微晶結(jié)構(gòu)

使用X射線衍射儀(Bruker D8 ADVANCE)對(duì)樣品的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，2θ測(cè)量范圍：10°～90°，靶類型：Cu靶。測(cè)試前將樣品放入瑪瑙研缽中進(jìn)行研磨，并加入一定量硅粉做內(nèi)標(biāo)物質(zhì)，以校準(zhǔn)測(cè)量誤差[14]。對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分峰擬合，通過(guò)結(jié)晶峰的峰位置和半峰寬值，最終計(jì)算得到碳紙的微晶參數(shù)。

樣品石墨微晶層間距d002計(jì)算如式(1)所示：

(1)

樣品石墨晶體層厚Lc計(jì)算如式(2)所示：

(2)

式中：λ為入射X射線波長(zhǎng)，本實(shí)驗(yàn)為0.154 nm；β為半峰寬；θ為002峰衍射角。

1.3.4 平面電阻率

采用四探針測(cè)試儀(RTS-8型)測(cè)試碳紙的平面電阻率。

1.3.5 表面粗糙度

采用3D光學(xué)輪廓儀(RtecUP系列)對(duì)碳紙進(jìn)行測(cè)試，物鏡倍數(shù)選用20×，表面粗糙度用Ra表示，每個(gè)樣品測(cè)試6個(gè)不同區(qū)域取平均值。

1.3.6 孔徑分布

采用毛細(xì)管流量孔徑儀(PMICFP-1100-A)對(duì)碳紙進(jìn)行測(cè)試，樣品尺寸為φ30 mm的圓片，潤(rùn)濕液為Galwick，從測(cè)試結(jié)果中得到樣品的孔徑分布。

1.3.7 拉伸及彎曲性能

采用電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(INSTRON 3300)對(duì)碳紙進(jìn)行拉伸及抗彎測(cè)試，試樣的拉伸性能和抗彎強(qiáng)度根據(jù)GB/T 2004.7-2014的要求進(jìn)行測(cè)試和計(jì)算。在紙樣上分別選取5個(gè)不同區(qū)域進(jìn)行裁剪，樣條尺寸為70 mm×15 mm，每種樣品測(cè)試3個(gè)平行樣品，最終測(cè)試結(jié)果取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 施加壓力對(duì)碳紙微觀形貌的影響

炭化是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)變化和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化過(guò)程，在此過(guò)程中酚醛樹脂的結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的轉(zhuǎn)變。在低溫炭化過(guò)程中(400～700 ℃)，樹脂基體發(fā)生劇烈的熱解反應(yīng)[15]，各種熱解的小分子片段以揮發(fā)性氣體的形式排出，導(dǎo)致基體表面出現(xiàn)大量氣孔，結(jié)構(gòu)變得疏松。當(dāng)溫度繼續(xù)升高(>800 ℃)，基體由于體積收縮而產(chǎn)生局部應(yīng)力，從而引起碳紙表面裂紋的產(chǎn)生[16]。

圖2(a),(b),(c)分別為CP-0及CP-900樣品的實(shí)物圖，表面及斷面SEM圖。通過(guò)比較實(shí)物圖2(a-1),(a-2)可以明顯看出，CP-0外觀呈現(xiàn)深黑色，而CP-900呈現(xiàn)灰白色。這可能是由于壓力的施加導(dǎo)致碳紙的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。為進(jìn)一步研究碳紙微觀結(jié)構(gòu)的變化，采用SEM對(duì)CP-0和CP-900樣品的微觀形貌進(jìn)行觀察。從圖2(b-1),(b-2)中可以看到，當(dāng)上膠量相同時(shí)，CP-0表面的碳纖維與樹脂炭的結(jié)合較為疏松，樹脂炭開裂程度嚴(yán)重且裂紋較大，而CP-900表面的樹脂炭與碳纖維的結(jié)合更加緊密，樹脂炭呈薄膜狀分布，表面裂紋較小。圖2(c-1),(c-2)分別為CP-0和CP-900的斷面SEM圖。由圖可知，CP-0層間結(jié)構(gòu)疏松，樹脂炭分布雜亂，與層間碳纖維的界面黏合性較差；CP-900的層間結(jié)構(gòu)則更為致密，樹脂炭含量較高且其與層間碳纖維的黏合性較好。因此，通過(guò)碳紙的微觀形貌可初步判斷，在炭化階段施加壓力可以有效地抑制樹脂炭的開裂，使碳紙結(jié)構(gòu)更加致密。

圖2 CP-0(1)和CP-900(2)的實(shí)物圖與SEM圖

2.2 施加壓力對(duì)碳紙微觀結(jié)構(gòu)的影響

圖3為不同壓力下碳紙中的樹脂炭和碳纖維的拉曼光譜圖。碳材料的拉曼光譜中，一般在1360 cm-1和1580 cm-1出現(xiàn)兩個(gè)特征峰，分別稱為D峰和G峰。G峰是由于碳網(wǎng)平面內(nèi)sp2雜化的C—C鍵振動(dòng)產(chǎn)生，該峰強(qiáng)度可用來(lái)表征sp2雜化鍵結(jié)構(gòu)的完整程度，D峰則是由于石墨微晶取向度低、微晶不完整、結(jié)構(gòu)缺陷及不飽和碳原子多而引起的，主要是由邊界或其他缺陷處的sp3雜化引起。常用二者積分強(qiáng)度的比值ID/IG表示石墨化程度或石墨結(jié)構(gòu)的完整程度[17]。由圖3可知，經(jīng)過(guò)1600 ℃熱處理后，不同壓力下的樹脂炭和碳纖維都具有明顯的D峰和G峰。隨著施加壓力的增加，碳纖維和樹脂炭的ID/IG逐漸減小，表明這兩種組分中的表面碳結(jié)構(gòu)逐漸趨于規(guī)整和有序。這是由于在炭化過(guò)程中碳纖維與樹脂基體的熱膨脹系數(shù)存在差異，導(dǎo)致在二者界面附近會(huì)形成應(yīng)力累積，從而發(fā)生應(yīng)力石墨化現(xiàn)象[6,8]。壓力的施加使樹脂炭與碳纖維的結(jié)合更加緊密(如圖2(b-2),(c-2)所示)，有利于提高邊界區(qū)域的應(yīng)力累積，在一定程度上可以促進(jìn)碳纖維和樹脂炭表層的無(wú)序碳結(jié)構(gòu)逐漸向結(jié)晶態(tài)轉(zhuǎn)變[18]。

圖3 不同壓力下碳纖維(a)與樹脂炭(b)的拉曼光譜Fig.3 Raman spectra of carbon fiber (a) and resin carbon (b) under different pressures

XRD是表征碳材料微晶結(jié)構(gòu)的重要手段之一，碳材料一般在2θ≈26°處出現(xiàn)石墨材料衍射特征峰，對(duì)其進(jìn)行分峰擬合后，可根據(jù)結(jié)晶峰的峰位置、峰寬和峰面積計(jì)算出類石墨微晶的層間距(d002)和層片厚度(Lc)[19]。圖4為不同壓力條件下碳紙的XRD圖譜。由圖4可知，不同壓力下的碳紙?jiān)?θ≈26°處呈現(xiàn)出一強(qiáng)度較弱的非對(duì)稱寬峰，該衍射峰包含樹脂炭和碳纖維的無(wú)定形峰與結(jié)晶峰[20]。四種樣品的d002和Lc的計(jì)算結(jié)果如表1所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，CP-0和CP-300的d002與Lc相差不大，進(jìn)一步提高壓力后，CP-900和CP-3600的d002略有減小，Lc有所增大。這主要是因?yàn)殡S著施加壓力的提高，碳纖維和樹脂炭界面處的應(yīng)力累積增加，為了緩和這種作用力，界面處的碳纖維和樹脂炭的石墨微晶發(fā)生取向排列，有利于碳紙晶體d002減小和Lc增大[21]。結(jié)合碳纖維和樹脂炭的拉曼光譜(圖3)可知，在炭化階段施加壓力可在一定程度上促進(jìn)碳紙中石墨微晶的生長(zhǎng)。

圖4 不同壓力下碳紙的XRD譜圖Fig.4 XRD patterns of carbon paper under different pressures

表1 不同壓力下碳紙石墨微晶參數(shù)的變化

2.3 施加壓力對(duì)碳紙質(zhì)量產(chǎn)率及體密度的影響

圖5為不同壓力下碳紙質(zhì)量產(chǎn)率、體密度及厚度的變化?？梢钥闯觯S著施加壓力的增加，碳紙的質(zhì)量產(chǎn)率逐漸提高，其中CP-900質(zhì)量產(chǎn)率可達(dá)63.2%，相較于CP-0提高了25.6%。這是因?yàn)橐环矫鎵毫Φ氖┘訙p緩了揮發(fā)氣體的釋放過(guò)程，部分含碳組分由于壓力的作用不能外逃而被抑留在碳紙中并炭化[22]。另一方面，樹脂小分子鏈在壓力的作用下沿特定方向有序排列，有利于提高酚醛樹脂骨架結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性。在這兩方面因素的共同作用下，最終碳紙的質(zhì)量產(chǎn)率得到提高。另外，碳紙的體密度也隨著施加壓力的增加而逐漸增大，主要是由于碳紙的質(zhì)量產(chǎn)率逐漸提高，從而使碳紙的本體結(jié)構(gòu)更加致密。當(dāng)施加壓力從0 Pa增加至300 Pa時(shí)，碳紙的質(zhì)量產(chǎn)率、體密度及厚度的增加幅度最大；隨著壓力從300 Pa增加至900 Pa時(shí)，碳紙的質(zhì)量產(chǎn)率基本保持恒定，此時(shí)較大的壓力將促進(jìn)基體在碳紙厚度方向發(fā)生收縮，導(dǎo)致碳紙的厚度有所減小，因而碳紙的體密度繼續(xù)增加；當(dāng)施加壓力從900 Pa增加至3600 Pa時(shí)，樣品的質(zhì)量產(chǎn)率及體密度的增加幅度逐漸減緩，說(shuō)明當(dāng)施加壓力超過(guò)900 Pa時(shí)，壓力作用對(duì)碳紙質(zhì)量產(chǎn)率和體密度的影響可能較小。

圖5 不同壓力對(duì)碳紙質(zhì)量產(chǎn)率、體密度及厚度的影響Fig.5 Effect of different pressures on mass yield,bulk density and thickness of carbon paper

2.4 施加壓力對(duì)碳紙平面電阻率的影響

圖6為不同壓力下碳紙的平面電阻率的變化。隨著壓力從0 Pa增加到3600 Pa，碳紙的平面電阻率從17.15 mΩ·cm下降到12.79 mΩ·cm，降低了約25.4%。其中，當(dāng)壓力從0 Pa增加至300 Pa時(shí)，碳紙的平面電阻率下降最快。由表1分析結(jié)果可知，CP-0和CP-300的d002和Lc幾乎相等，表明此時(shí)微晶結(jié)構(gòu)對(duì)碳紙平面電阻率的影響較小。而由圖5可知，CP-300具有較低的平面電阻率可歸因于其較高的體密度，從而使碳纖維與碳纖維、碳纖維與樹脂炭之間形成了更加致密的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。此外，隨著施加壓力的繼續(xù)增加，CP-900和CP-3600的平面電阻率進(jìn)一步下降。究其原因，一方面碳紙的體密度增加使得導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加致密；另一方面，Lc逐漸增大，d002和ID/IG逐漸減小，表明石墨微晶結(jié)構(gòu)更加規(guī)整，sp2雜化鍵結(jié)構(gòu)缺陷減少，電子傳輸能力有所提高。因此，在這兩方面因素的共同作用下，碳紙的導(dǎo)電性能得到提升。

圖6 不同壓力對(duì)碳紙平面電阻率的影響Fig.6 Effect of different pressures on in-plane resistivity of carbon paper

2.5 施加壓力對(duì)碳紙孔徑分布的影響

圖7為不同壓力下碳紙孔徑分布的變化。由圖7可知，CP-0中孔徑小于30 μm的孔體積僅占總孔體積的39.6%。這是因?yàn)樵谖词┘訅毫Φ臈l件下，樹脂基體的熱解反應(yīng)劇烈，大量揮發(fā)性產(chǎn)物逸出并在基體表面留下較多的氣孔。此外，基體在縮聚反應(yīng)過(guò)程中由于體積收縮導(dǎo)致較多應(yīng)力裂紋的產(chǎn)生。隨著施加壓力的提高，碳紙的小孔比例逐漸增加，CP-300,CP-900和CP-3600三種樣品中孔徑小于30 μm的孔體積均超過(guò)總孔體積的80%。壓力的施加有利于減緩揮發(fā)組分的釋放速度，減少碳紙表面大孔的產(chǎn)生，同時(shí)也使得樹脂炭與碳纖維的結(jié)合更加緊密，因而碳紙的結(jié)構(gòu)更加致密化，孔徑分布逐漸向小孔方向移動(dòng)。這與SEM的觀察結(jié)果相一致。碳紙的孔徑分布是影響燃料電池性能的關(guān)鍵因素之一，較大的孔徑導(dǎo)致碳紙與微孔層的接觸電阻增加[23]，另外，碳紙的孔結(jié)構(gòu)對(duì)于燃料電池的水管理起著重要的作用。燃料電池陽(yáng)極反應(yīng)產(chǎn)生的水需要通過(guò)氣體擴(kuò)散層的孔隙及時(shí)排出，避免發(fā)生“水淹”現(xiàn)象，以確保氧氣能順利到達(dá)催化劑層。研究表明[24-25]，碳紙的大孔比例較高，其排水能力較差，嚴(yán)重影響燃料電池的性能。因此，在炭化階段施加壓力可以調(diào)節(jié)碳紙的孔徑分布。

圖7 不同壓力對(duì)碳紙孔徑分布的影響Fig.7 Effect of different pressures on pore size distribution of carbon paper

2.6 施加壓力對(duì)碳紙表面粗糙度的影響

圖8為不同壓力下碳紙的3D形貌和表面粗糙度的變化。由圖8可知，隨著施加壓力的增加，碳紙的表面粗糙度逐漸降低。CP-0樣品的表面粗糙度為20.4 μm，圖像表面分布較多高度起伏的凸點(diǎn)。這是因?yàn)槲词┘訅毫r(shí)，熱解小分子片段的揮發(fā)情況較為劇烈，碳紙表面變得粗糙，孔洞增多。隨后，樹脂炭的體積收縮引起內(nèi)部應(yīng)力的產(chǎn)生，導(dǎo)致樹脂炭表面裂紋的開裂程度較大。因此，孔洞與裂紋的產(chǎn)生造成碳紙的表面平整度較差。當(dāng)施加壓力為3600 Pa時(shí)，碳紙的表面粗糙度可降低至11.3 μm，凸點(diǎn)數(shù)量明顯減少，這表明通過(guò)施加壓力可以有效緩解炭化反應(yīng)對(duì)碳紙表面產(chǎn)生的不利影響。另外，結(jié)合圖2可知，通過(guò)施加一定的壓力，碳纖維與樹脂炭的結(jié)合更加緊密，在基體的強(qiáng)束縛下，纖維較好地嵌入樹脂炭中，在一定程度上也起到改善碳紙表面粗糙度的作用。

圖8 不同壓力對(duì)碳紙表面粗糙度的影響

2.7 施加壓力對(duì)碳紙力學(xué)性能的影響

圖9為不同壓力下碳紙拉伸強(qiáng)度的變化。如圖9所示，隨著施加壓力的增加，碳紙的拉伸強(qiáng)度逐漸提高，當(dāng)壓力從0 Pa增加到300 Pa時(shí)，拉伸強(qiáng)度的提高幅度最大，從4.98 MPa提高到10.35 MPa，增加了108%。當(dāng)施加壓力繼續(xù)增加至3600 Pa時(shí)，與未施加壓力相比，碳紙的拉伸強(qiáng)度提高了150%。未施加壓力時(shí)，碳紙中的樹脂炭開裂程度較大，導(dǎo)致樹脂炭的自身強(qiáng)度較差；此外，由于碳紙中的樹脂炭含量較少，無(wú)法起到有效黏結(jié)碳纖維的作用，其與碳纖維的低界面結(jié)合強(qiáng)度使得碳纖維容易從基體炭中拔出，因而造成碳紙的拉伸強(qiáng)度較低。施加一定壓力后，樹脂炭的開裂程度減小，其自身強(qiáng)度得到提高，同時(shí)碳紙結(jié)構(gòu)的致密化有利于提高樹脂炭與碳纖維的界面結(jié)合強(qiáng)度，當(dāng)受到拉伸作用力時(shí)，在強(qiáng)界面作用下，碳纖維將發(fā)揮其作為增強(qiáng)體的作用，從而使得碳紙的拉伸強(qiáng)度得到提高。

圖9 不同壓力對(duì)碳紙拉伸強(qiáng)度的影響Fig.9 Effect of different pressures on tensile strength of carbon paper

圖10為碳紙的彎曲載荷、彎曲位移與施加壓力的關(guān)系曲線。從圖10(a)中可以看出，隨著彎曲位移的增加，載荷近似直線上升，到達(dá)最大載荷時(shí)，樣品發(fā)生斷裂，載荷急劇減小，說(shuō)明四種樣品均發(fā)生了脆性斷裂。隨著施加壓力增加，CP-300，CP-900和CP-3600的彎曲強(qiáng)度相比CP-0分別提高了33.8%，57.6%和82.9%。這主要是因?yàn)橐环矫鎵毫Φ氖┘釉黾恿颂技埖捏w密度，導(dǎo)致碳纖維與樹脂炭之間的結(jié)合更加緊密，二者的界面結(jié)合強(qiáng)度提高，在發(fā)生彎曲破壞時(shí)，有利于充分發(fā)揮碳纖維抵抗彎曲破壞的能力。另一方面，結(jié)合圖7的分析結(jié)果，壓力的施加導(dǎo)致CP-300,CP-900和CP-3600中大孔數(shù)量減少，避免了裂紋優(yōu)先沿著這些大孔進(jìn)行擴(kuò)展，從而可以提高碳紙的彎曲強(qiáng)度。

圖10 不同壓力下碳紙的彎曲性能

四種樣品的最大彎曲位移的關(guān)系為：CP-0

3 結(jié)論

(1)施加壓力可以有效減緩熱解小分子氣體的排出，降低樹脂炭的開裂程度，從而抑制應(yīng)力裂紋的產(chǎn)生。此外，施加壓力可以在一定程度上提高碳紙的石墨化程度。

(2)施加壓力有利于提高碳紙的導(dǎo)電性能。當(dāng)施加壓力為3600 Pa時(shí)，與未施加壓力相比，碳紙的平面電阻率從17.15 mΩ·cm下降至12.79 mΩ·cm。另外，施加壓力可以減少碳紙表面裂紋及孔洞的產(chǎn)生，使得碳紙的表面粗糙度和大孔徑比例下降。

(3)施加壓力可以使碳紙的結(jié)構(gòu)更加致密化，有利于提高碳纖維與樹脂炭之間的界面結(jié)合強(qiáng)度。當(dāng)施加壓力為3600 Pa時(shí)，與未施加壓力相比，碳紙的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度分別提高了150%和82.9%，對(duì)制備出高強(qiáng)度、高韌性的氣體擴(kuò)散層用碳紙具有重大意義。