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Engineering

一种新的复合制备方法的实验实现: 用软层法对复合材料表面裸露纤维进行曝光

Published: October 6, 2017 doi: 10.3791/55815
Automatic Translation
1, 1, 2
1Department of Mechanical Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology, 2LANL-CBNU Engineering Institute Korea, Chonbuk National University

Summary

提出了一种通过消除树脂富区来暴露复合材料表面裸露纤维的协议。纤维被暴露在复合材料的制造过程中, 而不是通过后表面处理。暴露的碳基复合材料在穿透厚度方向和高机械性能上表现出较高的电导率。

Abstract

双极板是质子交换膜燃料电池 (电池) 和钒氧化还原流电池 (VRFBs) 的关键部件。它是一种具有高导电性、高机械性能和高生产率的多功能元件。

在这方面, 碳纤维/环氧树脂复合材料可以是取代传统的石墨双极板的理想材料, 这往往导致整个系统的灾难性故障, 因为其固有的脆性。虽然碳/环氧树脂复合材料具有很高的机械性能, 易于制造, 但由于在其表面形成了富树脂层, 所以通过厚度方向的导电性较差。因此, 采用膨胀石墨涂层来解决导电问题。然而, 膨胀石墨涂层不仅增加了制造成本, 而且机械性能较差。

在本研究中, 展示了一种在复合表面上暴露纤维的方法。目前有许多方法可以暴露纤维的表面处理后, 复合材料的制造。然而, 这种新方法不需要表面处理, 因为纤维是在复合材料制造过程中暴露出来的。通过暴露表面裸露的碳纤维, 使复合材料的导电性和机械强度大幅度提高。

Introduction

双极板是能量转换系统和能量存储系统 (如燃料电池和电池) 的多功能关键部件。双极板的关键功能要求如下: 高电导率在穿过厚度方向, 以减少欧姆损耗, 高机械性能, 承受高压实压力和外部冲击, 以及高批量生产的生产率。

与传统上采用的石墨和金属作为双极板材料相比, 碳纤维/环氧树脂复合材料具有较高的比强度和刚度, 这表明系统的重量可以大大降低用复合材料取代传统的双极板材料1。然而, 传统的碳/环氧复合材料在穿透厚度方向上的导电性较差, 导致了大面积的电阻 (ASR), 这是由于复合表面上形成了树脂丰富的层。该绝缘树脂层防止导电炭纤维与相邻元件之间的直接接触, 如另双极板、气体扩散层 (GDL) 和碳毡电极。

许多研究是为了解决高 ASR 由于树脂丰富的层。第一种方法是表面处理方法, 以选择性地去除树脂丰富的层。例如, 机械磨损试图去除表面上的树脂2。然而, 碳纤维也被损坏, 导致了一个糟糕的 ASR。等离子体处理3、4和微波处理方法5、6也被开发以避免纤维损坏, 但它们导致生产率和均匀性低下。第二种方法, 导电层涂层方法, 包括膨胀石墨涂层7,8。该方法成功地降低了 ASR, 被认为是制造复合双极板的标准方法。然而, 它是昂贵的, 有耐久性和分层问题, 由于机械强度低。

在这项研究中, "软层法", 一种新的制造方法, 可以暴露碳纤维的复合双极板表面, 证明。该方法的主要目的是获得低的 ASR, 低的制造成本。软层法采用薄软层, 如在压缩模和双极板之间的聚合物释放膜。在压缩模和软层分离后, 制备的双极板显示在表面上暴露的碳纤维, 无任何 post-surface 处理。该方法不仅降低了 ASR, 而且大大提高了机械性能, 解决了气体渗透性问题。这种方法可用于许多其他用途: 发展一个导电板, 制造一个薄的复合材料, 和制造的粘合剂连接没有表面处理。

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Protocol

1. 材料准备

  1. 复合材料的制备 注: 警告, 请在使用前查阅所有相关的材料安全数据表 (MSDS)。这些方法中使用的几种化学物质可能是有毒和致癌的。纳米材料与它们的散装相比可能有额外的危害。在进行试验时, 请使用所有适当的安全做法, 包括使用工程控制 (油烟罩、手套箱) 和个人防护用品 (安全眼镜、手套、实验室大衣、全长长裤、脚趾鞋).
    注: 根据应用的不同, 增强纤维的类型可以是以下一种或多种: 单向纤维、梭织织物、无纺毡、切碎纤维。
    1. 单向光纤类型
      1. 使用上复合材料 (预浸料), 因为它是最方便使用的.
      2. 将预浸料堆叠在包含0和 #176; 以及90和 #176 的堆叠序列中, 以避免分裂。例如, 堆叠到 [0 3 /90 3 ] s 。
    2. 梭织织物类型
      1. 准备编织的碳织物和膜型环氧树脂。如果使用预浸料, 请跳过步骤1.1.2.1 到 1.1.2.6.
      2. 用99.5% 丙酮或另一种溶剂清洗织物脱脂。清洗后要小心处理, 避免污染。将织物放在干净的表面或无绒的擦拭上.
      3. 在室温条件下干燥10分钟, 去除溶剂.
      4. 剥离环氧树脂的备份膜, 并将1层的薄膜型环氧树脂连接到碳织物1层.
      5. 将环氧连接的碳布放在预热70和 #176 的热板上; pre-impregnation 十年代的 C.
      6. 将准备好的预浸料在环境条件下冷却10分钟, 剥离其他备份胶片.
      7. 堆叠具有所需堆叠顺序的结构; 例如, 堆叠到 [0] 3 .
    3. 无纺毡
      1. 准备无纺毡。
      2. 用99.5% 丙酮或另一种溶剂清洁毛毡以进行脱脂。清洗后要小心, 避免污染。将毛毡放在干净的表面或无绒的擦拭上.
      3. 剥离环氧树脂的备份膜, 并将3层膜型环氧树脂连接到每一侧的1股碳毡上.
      4. 将环氧附着的碳毡放在预热70和 #176 的热板上; C 为 pre-impregnation 的十年代.
      5. 将准备好的预浸料在环境条件下冷却10分钟, 剥离其他备份胶片.
  2. 准备软层
    注: 对于软层, 含氟聚合物如聚四氟乙烯 (PTFE) 或氟化乙烯丙烯 (FEP), 聚烯烃如聚乙烯或聚丙烯, 或合成橡胶, 如硅橡胶或氟可以使用。该方案采用了 FEP 膜, 其屈服强度大大超过120和 #176; C. 25 和 #181; m 厚 FEP 适用于单向纤维和无纺毡复合材料, 而厚的100和 #181; m 厚 FEP 适合于机织面料类型复合 10 。
    1. 清除99.5% 丙酮的软层。小心处理, 避免皱纹和针孔.
    2. 用无绒抹布擦拭软层上的丙酮。确保软层上没有污染物, 因为在固化过程中它会被转移到复合材料中。始终保持软层远离灰尘和小颗粒, 因为这些可能不仅损害了复合材料, 而且还压缩模具.

2。复合制造

    压缩模具的安装
    1. 准备一个大小为120毫米和 #215 的空腔的压缩模具; 120 mm
    2. 将模具释放到压缩模具。只需粘贴或喷雾模具释放到模具, 并擦拭无绒抹布, 直到只有薄薄的一层的模具释放保持.
    3. 将准备好的复合板切割为118毫米和 #215 的尺寸; 118 mm
    4. 放置1层25和 #181; m 厚 FEP 膜在下部模具上.
    5. 将复合层压板放在 FEP 膜上, 并在层板上放置另一 FEP 膜.
    6. 拼合软层并去除在软层和复合层压板之间的气泡.
    7. 关闭模压成型模具.
  1. 压缩成型
    1. 将热烫机加热到150和 #176; C.
      注: 模具内的试样温度为140和 #176; C 在这种情况下。如果软层采用弹性体或聚烯烃, 也可以使用较低的温度。考虑复合材料的固化温度和软层软化温度, 以确定固化温度.
    2. 将模具放置在热压机中.
    3. 使用热压机施加压力; 固化时间和压力取决于复合类型。
      1. 对于单向纤维复合材料, 在30分钟内施加20兆帕斯卡的恒定压力; 不需要其他进程.
      2. 对于梭织织物类型的复合, 应用20兆帕斯卡。4分钟和8分钟后, 将施加的压力释放到零, 并立即再次应用20兆帕斯卡.
        注: 这个过程被称为清除, 其目的是去除过量的树脂和被诱捕的气泡。根据复合材料的大小, 清除步骤的数量可能会增加;尺寸复合材料需要更多的清洗。
        1. 然而, 在树脂的黏度开始增加之后, 不要清除。治疗总共30分钟.
      3. 无纺毡型复合物, 适用3兆帕斯卡30分钟. 当心压力过冲, 这将导致最终产品的空隙和缺陷。慢慢增加压力, 避免压力过大.
    4. 在热压机中冷却压缩模具而不将压力释放到低于120和 #176; C, 这是预制复合材料的玻璃化转变温度.
    5. 释放压力并从热压机中取出压缩模具.
    6. 从压缩模具中脱模最终产品.

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Representative Results

使用扫描电子显微镜 (SEM) (图 1) 观察制作的标本。因为覆盖纤维顶端的富树脂层只有几微米厚, 在标本顶部观察到的光学显微图像是不合适的。通过5倾斜标本观察到的 SEM 图像提供了更具代表性的图像。与传统的模压成型复合材料相比, 采用软层法制备复合材料, 其表面覆盖有树脂, 裸露纤维无缺陷。软层法适用于单向碳复合材料、炭纤维复合材料和炭毡复合材料。

Figure 1
图 1: 制作标本的 SEM 图像.(a) 采用常规方法的单向光纤复合11;(b) 单向纤维复合材料的软层方法11;(c) 带传统方法的机织物复合材料12;(d) 带软层方法的机织物复合材料12;(e) 无纺毡复合材料与常规方法13;(f) 无纺毡复合材料用软层方法13。所有被引用的图片都是在原始出版商的许可下转载的。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 2
图 2: 复合双极板的性能.在这里, 平均值被取为一个有代表性的值, 而最大和最小值则用于误差线。(a) 电导率在穿透厚度方向, 具体电阻面积 (ASR) 显示;(b) 拉伸强度。请单击此处查看此图的较大版本.

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Discussion

与传统方法相比, 软层法具有明显的优越性, 且制造成本较低。软层法制备的三种复合材料的电学性能、力学性能、透气性、附着力等方面都具有独特的特性。

对于电学性能的测量, 采用了四点探针法。对 ASR 进行了5次测量, 平均值作为双极板的代表值。共测量了五双极板, 并对误差条使用了最大和最小的 ASR 值。

由于暴露的碳纤维 (图 2a), 并满足了 ASR 和 #60 的能源部目标 (美国能源部) 的需要, 使穿透厚度方向的电导率显著提高; 20 mΩ∙cm2压缩1.38 兆帕斯卡的压力。对于力学性能的测量, 根据 ASTM D3039 进行了拉伸试验。对九试样进行了测试, 并将平均值作为具有代表性的值, 同时对误差条使用了最大和最小值。

单向碳纤维复合材料的抗拉强度变化不大, 但在采用软层法时, 炭纤维和碳毡型复合材料的抗拉强度显著提高22% 和15%。拉伸强度增加, 因为软层可以在整个表面施加均匀的压力。因此, 复合材料的透气性也得到改善,10,14。此外, 由于纤维15产生的粗糙表面, 粘合特性得到了改善。

虽然软层提供了无可比拟的优势, 但在实施中应注意, 以达到最佳效果。首先, 使用无气孔或缺陷的软层。树脂将通过孔流出, 这将导致固化后的凹痕以及对模具和复合材料的污染。轻微的皱纹会在高温和压力下消失, 但空洞不会。其次, 在设计模具时, 必须考虑软层的厚度, 例如在燃料电池的通道形状的模具中。在将相同的压力和温度施加到用于固化复合材料的材料后, 测量软层的厚度;模具设计应采用这种厚度。第三, 柔软层的多层是可能的, 但必须非常小心, 因为当软层数增加, 去除树脂的能力增加。然而, 皱纹可能出现在复合表面上。这是特别引人注目的非织造炭毡复合材料。

如果纤维没有很好地暴露, 有四选择从: 增加硫化压力;提高固化温度;选择另一个具有较低机械性能或热性能的软层;或为多余的树脂提供一个空腔。由于软层法的基本机理在于软层在施加压力作用下的变形, 因此修改固化压力或温度可以改善其结果。

最后, 软层法带来了许多好处, 是不可能与其他方法时, 实施适当的照顾。与传统的暴露纤维的方法相比, 软层法不需要任何后表面处理, 使其成为大面积工业应用的理想方法, 生产率是关键因素。该方法可进一步扩展到一般复合加工方法或一般复合表面处理方法。

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Disclosures

作者没有什么可透露的。

Acknowledgments

这项研究得到了院气候变化研究中心的支持 (格兰特 No。N11160012), 由科学、ICT 和未来规划部资助的韩国国家研究基金会领导的国外研究院招聘项目 (赠款 No. 2011-0030065), 主要的人力资源培训计划通过由科学、ICT 和未来规划部资助的韩国国家研究基金会 (NRF) 的区域新产业 (批准号:NRF-2016H1D5A1910603)。他们的支持得到了极大的赞赏。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Unidirectional carbon/epoxy prepreg SK Chemicals USN020 Used to fabricate unidirectional carbon composite
Plain weave carbon fabric/epoxy prepreg SK Chemicals WSN 1k Used to fabricate fabric carbon composite
Plain weave carbon fabric SK Chemicals C-112 Used to fabricate fabric carbon composite
Non-woven carbon felt Newell Graphite felt 3 mm Used to fabricated felt carbon composite
Film type epoxy resin SK Chemicals K51 Used as a matrix of the composite
Acetone 99.5% Samchun 67-64-1 Used to cleanse the carbon fiber and the soft layers
Mold release ShinEtsu KF-96 Used to coat the mold
Release film Airtech A4000V Used as a soft layer
Compression mold N/A N/A Machined in lab. Material: NAK80
Hot press Hydrotek 100 N/A Used to apply pressure and heat
Scanning electron microscope FEI Compnay Magellan 400 Used to investigate the surface of the composite

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References

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  14. Lee, D., Lim, J. W., Lee, D. G. Cathode/anode integrated composite bipolar plate for high-temperature PEMFC. Compos Struct. 167, 144-151 (2017).
  15. Lee, D., Oh, Y., Nam, S., Choe, J. Adhesion Characteristics of Fiber-exposed Glass Composites. Compos Struct. 165, 9-14 (2017).

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工程 问题 128 复合材料 表面处理 纤维曝光法 软层法 表面形貌 电性能 机械性能 双极板 燃料电池 电池
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Lee, D., Lee, D. G., Lim, J. W. Experimental Implementation of a New Composite Fabrication Method: Exposing Bare Fibers on the Composite Surface by the Soft Layer Method. J. Vis. Exp. (128), e55815, doi:10.3791/55815 (2017).

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