Karbonisierung bezeichnet die thermisch oder hydrothermal induzierte Umwandlung kohlenstoffhaltiger Ausgangsmaterialien in kohlenstoffreiche Feststoffe. Sie ist ein zentraler Prozess bei der Herstellung von Koksen, Aktivkohlen, Rußen sowie karbonisierten Strukturen für energie- und strukturwerkstofftechnische Anwendungen.

Bei der pyrolytischen Karbonisierung werden organische Polymere, Biopolymere oder Pech in inerter Atmosphäre typischerweise zwischen 400–1200 °C erhitzt. Dabei laufen Dehydrierungs-, Deoxygenierungs- und Kondensationsreaktionen ab, flüchtige Bestandteile entweichen und der relative Kohlenstoffgehalt steigt. Die resultierenden Kohlenstoffgerüste zeigen je nach Temperatur und Heizrate unterschiedliche Ordnungsgrade von amorph bis turbostatisch graphitisch.

Die hydrothermale Karbonisierung (HTC) ist ein Sonderfall, bei dem Biomasse in wässrigem Milieu bei etwa 180–250 °C und autogenem Druck umgesetzt wird. Durch Dehydratisierung und Decarboxylierung entstehen sogenannte Hydrochar-Materialien, die als Vorstufen für Aktivkohlen oder strukturierte Kohlenstoffkomposite dienen können.

Auf mikroskopischer Ebene umfasst der Karbonisierungsprozess Nukleation und Wachstum aromatischer Cluster, Vernetzung zu perkolierenden Kohlenstoffnetzwerken und die Ausbildung von Porosität. Prozessparameter wie Temperaturverlauf, Haltezeit, Atmosphärenzusammensetzung und Heizrate bestimmen Ausbeute, Mikrostruktur (z. B. Rußbildung versus dichter Koks) und funktionelle Eigenschaften wie elektrische Leitfähigkeit, mechanische Festigkeit und spezifische Oberfläche.

In der Werkstoffentwicklung ermöglicht kontrollierte Karbonisierung die gezielte Einstellung karbonisierter Strukturen, etwa bei kohlenstofffaserverstärkten Keramiken, Hartkohlenstoffanoden für Batterien oder leitfähigen Rußfüllstoffen in Polymer-Matrix-Systemen.