气体扩散层作为燃料电池的核心材料,其主要使用炭纸作为基底层。目前,炭纸在国外已经实现商业化生产,而在国内仍停留于实验室研发阶段。关于炭纸的批量化制备仍存在以下关键问题亟待解决:其一,炭纤维的分散性和成纸匀度较差,难以获得具有稳定结构和性能的炭纸;其二,缺乏对热处理过程中基体、炭纤维、炭纸结构及其性能演变的研究,无法对批量化制备炭纸提供理论和技术指导。因此,本论文针对这些问题开展了以下研究工作:(1)采用尘埃匀度仪对炭纸原纸的匀度和纤维絮团进行了定量分析,并探究了纤维长度、分散剂对絮团分布和原纸匀度的影响,同时揭示了原纸匀度和纤维絮团与原纸性能之间的关系。研究发现,炭纸原纸中存在不同尺寸的絮团,各尺寸絮团的絮团面积随絮团尺寸的增加呈现先降低后增加的趋势。随着纤维长度的增加,大尺寸絮团的面积增加最为显著。在最佳PEO用量下,由2、4、6、8 mm炭纤维所制备的原纸的匀度指数分别下降了32.6%、49.9%、53.5%、39.8%,其中,PEO对大尺寸絮团具有更加显著的分散效果。随着匀度指数的增加,原纸的表面粗糙度逐渐增大,拉伸强度逐渐下降,平均孔径和最大孔径逐渐增大,由2 mm炭纤维制备的原纸其面电阻率逐渐增大,而由4、6、8 mm炭纤维制备的原纸其面电阻率基本不变。(2)探究了不同纤维长度、炭化温度、树脂炭含量和应力对炭纸的组成、结构及性能的影响。结果表明,在400-700℃,炭纸的面电阻率和力学性能显著下降。在1000-1600℃范围内,随着温度的升高,纤维与基体之间的相互作用逐渐增强,发生了应力石墨化现象,炭纸的面电阻率和表面粗糙度逐渐降低,强度和韧性逐渐提高。增加纤维长度有利于提高炭纸的力学性能和导电性,但较长的纤维所制备的炭纸中存在较多的絮团,从而导致8 mm样品的力学性能和导电性低于4 mm样品。此外,当上胶量为300%时,炭纸的层间结合性较好,纤维与基体的相互作用较强,此时炭纸的拉伸强度、弯曲强度及弯曲位移相对于上胶量为60%分别提高了100%、180%、280%,面电阻率下降了62%。通过在炭化阶段施加一定应力可以抑制树脂炭的自由收缩,减小基体的开裂,提高炭纸的质量收率,从而减小炭纸的表面粗糙度,提高炭纸的力学性能。其中,当施加应力为900 Pa时,炭纸的拉伸强度和弯曲强度较未施加应力时分别提高了133.4%和57.6%。(3)探究了石墨化过程中炭纸结构与性能的演变。结果表明,在2400℃时,炭纸整体的石墨化度达到了83.6%,通过偏光显微镜观察到纤维-基体界面处的基体区域呈现各向异性,相比炭纤维,基体具有更高的石墨化度,此时纤维长度对炭纸导电性的影响较小。随着石墨化温度的升高,炭纸的拉伸强度和挺度呈现先升高后降低的趋势,在2100℃时具有最大值。在以上研究结果的基础上,进行了原纸的中试实验,并将中试原纸制备为炭纸,与手抄片制备的炭纸、商品样的性能进行了比较。可以发现,中试原纸制备的炭纸其力学性能和导电性优于手抄片制备的炭纸、Avcarb-P75,接近于Toray-060。(4)探究了小直径炭纤维和石墨粉的添加对炭纸结构及性能的影响。结果表明,当小直径炭纤维含量为30%时,炭纸的面电阻率可降至12.10 mΩ·cm,相较于未添加时降低了9.2%;拉伸强度为12.98 MPa,弯曲强度为33.37 MPa,相较于未添加时分别提高了12.5%和30.9%。当石墨粉含量为10%时,炭纸的面电阻率为9.75 mΩ·cm,相较于未添加时降低了26.8%;拉伸强度为13.13 MPa,弯曲强度为32.77 MPa,相较于未添加时分别提高了13.9%和28.6%,并且经过石墨化后,石墨粉具有更显著的增强效果。上述现象表明小直径炭纤维和石墨粉的添加均可以改善炭纸的电阻率和力学性能。