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Engineering

Experimentelle Umsetzung einer neuen Composite Fertigung-Methode: Verfügbarmachen nackten Fasern auf die zusammengesetzte Fläche durch die weiche Schicht-Methode

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

Ein Protokoll zum nackten Fasern auf die zusammengesetzte Fläche verfügbar zu machen, durch den Wegfall von Harz reichen Gegend präsentiert. Die Fasern sind bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen, nicht durch die Post Oberflächenbehandlung ausgesetzt. Die exponierte Carbon Composites weisen hohe elektrischen Leitfähigkeit in der Richtung der durch dicke und hohe mechanische Eigenschaften.

Abstract

Bipolarplatte ist eine wichtige Komponente Proton Exchange Membran-Brennstoffzellen (PEMFC) und Vanadium-Redox-Flow-Batterien (VRFBs). Es ist eine Multi-funktionale Komponente, die hohe elektrische Leitfähigkeit, hohe mechanische Eigenschaften und hohe Produktivität haben sollte.

In diesem Zusammenhang kann ein Kohlefaser/Epoxy-Harz-Verbund ein ideales Material für konventionelle Graphit Bipolarplatte ersetzen führt oft zu den schwerwiegenden Fehler des Gesamtsystems aufgrund seiner inhärenten Sprödigkeit. Obwohl die Carbon/Epoxy-Composite hohe mechanische Eigenschaften hat und ist einfach herzustellen, ist die elektrische Leitfähigkeit in Pfeilrichtung durch dicke schlecht wegen der Harz-reiche Schicht, die auf seiner Oberfläche bildet. Daher wurde eine expandiertem Graphit Beschichtung angenommen, um die elektrische Leitfähigkeit-Problem zu lösen. Jedoch die expandiertem Graphit Beschichtung nicht nur erhöht die Herstellungskosten, sondern hat auch schlechte mechanische Eigenschaften.

In dieser Studie zeigt eine Methode, um die Fasern auf die zusammengesetzte Fläche verfügbar zu machen. Es gibt derzeit viele Methoden, die Fasern durch Oberflächenbehandlung nach der Herstellung des Verbundes verfügbar machen können. Diese neue Methode, erfordert jedoch keine Oberflächenbehandlung, weil die Fasern bei der Herstellung des Verbundes ausgesetzt sind. Durch die Aufdeckung nackten Kohlenstoff-Fasern auf der Oberfläche, die elektrische Leitfähigkeit und die mechanische Festigkeit des Verbundes werden drastisch erhöht.

Introduction

Bipolarplatte ist eine multifunktionale Schlüsselkomponente der Energiewandlungssysteme und Energiespeicher wie Brennstoffzellen und Batterien. Die wichtigsten funktionellen Anforderungen der Bipolarplatte sind wie folgt: hohe elektrische Leitfähigkeit in Pfeilrichtung durch dicke, ohmsche Verluste, hohe mechanische Eigenschaften widerstehen hohen Verdichtungsdruck und äußere Einflüsse und hohe zu reduzieren Produktivität für die Massenproduktion.

Kohlefaser/Epoxy Composites haben gegenüber den Graphit und Metalle, die konventionell als Material für die Bipolarplatte angenommen wurden, eine höhere spezifische Festigkeit und Steifigkeit, was darauf hindeutet, dass das Gewicht des Systems erheblich gesenkt werden kann die konventionelle Bipolarplatte Materialien durch Verbundwerkstoffe1zu ersetzen. Konventionelle Carbon/Epoxy Composites haben schlechte elektrischen Leitfähigkeit in Pfeilrichtung durch dicke, führt zu einer großen areal spezifische Widerstand (ASR), jedoch aufgrund der Harz-reiche Schicht, die auf die zusammengesetzte Fläche gebildet wird. Die isolierende Schicht Harz-reichen verhindert den direkten Kontakt zwischen dem leitfähigen Kohlefasern und angrenzenden Bauteilen, wie z. B. ein anderes Bipolarplatte, Gasdiffusionslage (GDL) und Kohlenstoff fühlte Elektrode (CFE).

Viele Studien wurden durchgeführt, um die hohen ASR aufgrund der Harz-reiche Schicht zu beheben. Die erste Methode bestand Oberflächenbehandlung Methoden, um gezielt die Harz-reiche Schicht zu entfernen. Zum Beispiel wurde mechanischem Abrieb versucht, das Harz auf der Oberfläche2entfernen. Jedoch wurden die Carbonfasern auch beschädigt, führte dazu, dass eine schlechte ASR. Plasma Behandlung3,4 und Mikrowelle Behandlung Methoden5,6 wurden auch entwickelt, um die Faser Schäden zu vermeiden, aber sie führte zu niedrigen Produktivität und Einheitlichkeit. Der zweite Ansatz, elektrisch leitende Schicht Beschichtungsverfahren umfasst expandiertem Graphit Beschichtung7,8. Diese Methode erfolgreich reduziert die ASR und ist als standard-Methode zur Herstellung einer zusammengesetzten Bipolarplatte angesehen worden. Aber es ist kostspielig und Haltbarkeit und Delamination Probleme aufgrund der geringen mechanischen Festigkeit hat.

In dieser Studie wird die "weiche Schicht-Methode", ein neuartiges Herstellungsverfahren, die Kohlenstoff-Fasern auf der Oberfläche zusammengesetzte Bipolarplatte aussetzen können demonstriert. Der Hauptzweck dieser Methode ist, eine niedrige ASR mit einem niedrigen Herstellungskosten zu erhalten. Die weiche Schicht Methode nimmt eine dünne weiche Schicht wie ein Polymer-Trennfolie zwischen der Kompression Schimmel und Bipolarplatte. Nach dem Aushärten in der Kompression Schimmel und die Ablösung der weiche Schicht zeigt fabrizierten Bipolarplatte Kohlenstoff-Fasern auf der Oberfläche ohne Post-Oberflächen Behandlung ausgesetzt. Diese Methode nicht nur verringerte sich die ASR aber auch deutlich erhöht die mechanischen Eigenschaften und die Gas-Durchlässigkeit-Problem gelöst. Diese Methode kann angewendet werden, für viele andere Zwecke: die Entwicklung einer elektrisch leitfähigen Platte, die Herstellung von dünnen Komposit und der Herstellung einer Klebeverbindung ohne Oberflächenbehandlung.

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Protocol

1. Material Vorbereitung

  1. Vorbereitung des Verbundmaterials
    Hinweis: Vorsicht, bitte wenden Sie sich an alle relevanten Sicherheitsdatenblätter (SDB) vor dem Gebrauch. Einige der in diesen Methoden verwendeten Chemikalien möglicherweise giftig und karzinogen. Nanomaterialien können zusätzliche Gefahren im Vergleich zu ihrer Masse haben. Nutzen Sie alle entsprechenden Sicherheitsmaßnahmen bei der Durchführung eines Experiments, einschließlich des Einsatzes von technischen Kontrollen (Abzugshaube, Handschuhfach) und persönliche Schutzausrüstung (Schutzbrille, Handschuhe, Kittel, lange Hosen und geschlossene Schuhe).
    Bemerkung: Je nach Anwendung, die Art der verstärkenden Faser kann eine oder eine Kombination der folgenden Schritte aus: unidirektionalen Fasern, Gewebe, Vlies Filz, gehackte Faser.
    1. Unidirektional Fasertyp
      1. vorimprägnierten Verbundwerkstoff (Prepreg) verwenden, da es sehr bequem zu bedienen ist.
      2. Stapeln das Prepreg in Stapeln Sequenzen mit 0 ° und 90° Aufteilung zu vermeiden. Beispielsweise in Stapeln [0 3 / 90 3] s.
    2. Woven Fabric-Typ
      1. bereiten die gewebten Carbongewebe und Filmtyp Epoxydharz. Wenn eine Prepreg verwenden, überspringen Sie Schritte 1.1.2.1, 1.1.2.6.
      2. Reinigen Sie den Stoff mit 99,5 % Aceton oder einem anderen Lösungsmittel für Entfettung. Vorsicht im Umgang mit den Stoff nach der Reinigung, um Kontaminationen zu vermeiden. Legen Sie den Stoff auf eine saubere Oberfläche oder fusselfreiem Tuch.
      3. Entfernen des Lösungsmittels durch Trocknung unter Umgebungsbedingungen für 10 min.
      4. Peel off backup Films von Epoxy-Harzen und 1 lagig Carbongewebe 1 lagig Filmtyp Epoxy beimessen.
      5. Legen Sie den Epoxy befestigt Carbon-Stoff auf einer heißen Platte, die vorgewärmte auf 70 ° C für 10 s für Pre-Imprägnierung.
      6. Der vorbereitete Prepreg in Umgebungsbedingungen für 10 min abkühlen und Abziehen der Sicherung Film.
      7. Den Stoff mit der gewünschten Stapeln Reihenfolge Stapeln; beispielsweise Stapeln in [0] 3.
    3. Non-Woven fühlte sich
      1. bereiten den Vlies Filz.
      2. Reinigen den Filz mit 99,5 % Aceton oder einem anderen Lösungsmittel für Entfettung. Vorsicht im Umgang mit den Filz nach der Reinigung, um Kontaminationen zu vermeiden. Legen Sie den Filz auf eine saubere Oberfläche oder fusselfreiem Tuch.
      3. Peel off backup Films von Epoxy-Harzen und 1 lagig Kohlenstoff fühlte sich auf jeder Seite 3 Lagen der Filmtyp Epoxy beimessen.
      4. Ort der Kohlenstoff Epoxy befestigt war auf einer heißen Platte, die vorgewärmte auf 70 ° C für 10 s für Pre-Imprägnierung.
      5. Der vorbereitete Prepreg in die Umgebungsbedingungen für 10 min abkühlen und Abziehen der Sicherung Film.
  2. Vorbereitung der die weiche Schicht
    Hinweis: für die weiche Schicht, eine Fluorpolymer wie Polytetrafluorethylen (PTFE) oder fluorierten Ethylen-Propylen (FEP), Polyolefinen wie Polyethylen oder Polypropylen, oder eine synthetischer Kautschuk wie Silikon-Kautschuk oder einem Fluorelastomer kann verwendet werden. In diesem Protokoll FEP Film angenommen wird, und seine Ausbeute Stärke Tropfen drastisch über 120 ° C. 25 µm dick FEP eignet sich für unidirektionalen Faser und Vlies Filz Composites, ein dicker 100 µm dicken FEP ist angebracht für Gewebe Geben Sie Verbundwerkstoffe 10.
    1. Die weiche Schicht mit 99,5 % Aceton reinigen. Behandeln mit Sorgfalt zur Vermeidung von Falten und Nadelstiche.
    2. Wischen aus Aceton auf die weiche Schicht mit fusselfreien Tüchern. Sicherstellen Sie, dass keine Verunreinigung auf die weiche Schicht gibt, da es zur Zusammensetzung während der Aushärtung übertragen wird. Halten Sie immer die weiche Schicht von Staub und kleine Partikel entfernt, weil diese nicht nur die Zusammensetzung, sondern auch die Kompression Form beschädigen können.

2. Composite Fertigung

  1. Installation der Kompression Form
    1. bereiten eine Kompression Form mit einem Hohlraum der Größe 120 mm × 120 mm.
    2. Gelten die Trennmittel für die Kompression Form. Einfach einfügen oder Sprühen Sie die Entformung mit der Form, und wischen Sie mit fusselfreien Wischtücher bis nur eine dünne Schicht von Schimmel Version bleibt.
    3. Schneiden Sie das vorbereitete composite Laminat auf eine Größe von 118 mm × 118 mm.
    4. Platz 1-lagig 25 µm dicken FEP-Film auf die untere Form.
    5. Composite Laminat auf der FEP-Film und legen Sie ein weiteres FEP-Film auf dem Laminat.
    6. Die weiche Schicht glätten und Entfernen der Luftblasen, die zwischen den weichen Schicht und composite Laminat eingeschlossen sind.
    7. Schließen die Form für die Formpressens.
  2. Kompression Formteil
    1. Erhitzen der Heißpresse bis 150 ° c
      Hinweis: Die Temperatur der Probe in der Form ist 140 ° C in diesem Zustand. Die Verwendung von einer niedrigeren Temperatur ist auch möglich, wenn ein Elastomer oder Polyolefin für die weiche Schicht angenommen wird. Überlegen, sowohl der Härtungstemperatur des Verbundes und der Erweichungstemperatur des die weiche Schicht der Härtungstemperatur bestimmen.
    2. Legen Sie die Form in der Heizpresse.
    3. Übernehmen mit der Heißpresse; die Aushärtung Zeitplan und Leistungsdruck hängen vom zusammengesetzten Typ.
      1. Beantragen einer unidirektionalen Faser-Composite, einen konstanten Druck von 20 MPa 30 min; kein zusätzlicher Prozess ist erforderlich.
      2. Für ein Gewebe Typ Composite gelten 20 MPa. Nach 4 min und 8 min, loslassen den angewandte Druck auf Null und wenden Sie sofort erneut 20 MPa.
        Hinweis: Dieser Vorgang nennt man spülen, und dient zum Entfernen übermäßiger Harz und eingeschlossene Luftblasen. Die Anzahl der reinigende Schritte kann abhängig von der Größe des Verbundes erhöht werden; größer Verbundwerkstoffe erfordern mehr spülen.
        1. Aber, nachdem sich die Viskosität des Harzes zu erhöhen, nicht bereinigen. Heilung für insgesamt 30 min.
      3. Für ein Vlies Typ Komposit fühlte, gelten 3 MPa für 30 min. Achtung der Druck Überschwingen, welche Hohlräume bewirken und Defekte im Endprodukt. Erhöhen Sie den Druck langsam zur Vermeidung Druck Überschwingen.
    4. Kühlen die Kompression Form in der Heizpresse ohne Freigabe der Druck auf unter 120 ° C, was die Glasübergangstemperatur des vorgefertigten Verbundes ist.
    5. Den Druck lösen und entfernen Sie die Kompression Form aus der Heißpresse.
    6. Das Endprodukt aus der Kompression Form entformt.

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Representative Results

Die gefertigten Exemplare sind mit Rasterelektronenmikroskopie (SEM) (Abbildung 1) beobachtet. Da die Harz-reiche Schicht, die die Spitze der Fasern bedeckt nur wenige Mikrometer dick ist, ist ein optisches mikroskopische Bild am oberen Rand der Probe beobachtet nicht zweckmäßig. Eine REM-Aufnahme beobachtet durch Kippen der Probekörpers um 5° bietet ein repräsentativeres Bild. Im Vergleich zu den Verbundwerkstoffen hergestellt von konventionellen Formpressens, die seine Oberfläche mit Harz bedeckt hat, sind nackten Fasern ohne Mängel ausgesetzt, wenn die Zusammensetzungen durch die weiche Schicht-Methode hergestellt werden. Die weiche Schicht Methode galt für den unidirektionalen Carbon-Composite Carbon-Gewebe-Composite und fühlte sich Carbon-Composite.

Figure 1
Abbildung 1: REM-Bilder der vorgefertigten Probe. (ein) neuester Faserverbund mit konventionellen Methode11; (b) neuester Faserverbund mit weichen Schicht Methode11; (c) gewebten Stoff Komposit mit konventionellen Methode12; (d) gewebten Stoff Komposit mit weichen Schicht Methode12; (e), Non-Woven-Filz-Verbund mit der konventionellen Methode13; (f), Non-Woven fühlte composite mit weichen Schicht Methode13. Alle referenzierten Bilder wurden mit freundlicher Genehmigung von ursprünglichen Verlagen nachgedruckt. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 2
Abbildung 2: Leistung der zusammengesetzten Bipolarplatte. Hier war der durchschnittliche Wert als einen repräsentativen Wert genommen, während der maximalen und minimalen Werte für die Fehlerbalken verwendet wurden. (ein) elektrische Leitfähigkeit in Pfeilrichtung durch dicke, Bereich der spezifische Widerstand (ASR) gezeigt; (b) Zugfestigkeit. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

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Discussion

Die weiche Schicht-Methode bietet erhebliche Vorteile im Vergleich mit konventionellen Methoden und mit einer niedrigeren Herstellungskosten. Alle drei Arten von Verbundwerkstoffen hergestellt durch die weiche Schicht Methode zeigen einzigartige Eigenschaften in Bezug auf die elektrischen Eigenschaften, mechanische Eigenschaften, Gasdurchlässigkeit und Hafteigenschaften.

Für die Messung der elektrischen Eigenschaft war eine Vierpunkt-Probe-Methode verwendet. ASR wurde 5 Mal gemessen und der Durchschnittswert wird als ein repräsentativer Wert für die bipolare Platte. Insgesamt fünf Bipolarplatten wurden gemessen, und die maximalen und minimalen Werte der ASR dienten für die Fehlerbalken.

Die elektrische Leitfähigkeit in Pfeilrichtung durch dicke erhöht aufgrund der exponierten Kohlefaser (Abbildung 2a) und erfüllt das Ziel DOE (Department of Energy, USA) von ASR < 20 mΩ∙cm2 unter eine Verdichtung Druck von 1,38 MPa. Für die Messung von mechanischen Eigenschaften wurden Zugversuche nach ASTM D3039 durchgeführt. Neun Exemplare wurden getestet wurde und der durchschnittliche Wert als repräsentativer Wert während das Maximum und Mindestwerte für die Fehlerbalken verwendet wurden.

Die Zugfestigkeit der unidirektionale Carbonfaser-Composite nicht viel ändern, aber das Carbongewebe und Kohlenstoff Filz Art Composites zeigen deutliche Steigerungen in die Zugfestigkeit von 22 % und 15 %, bzw., wenn die weiche Schicht-Methode angewendet wird. Die Zugfestigkeit erhöht, da die weiche Schicht einen gleichmäßigen Druck auf der gesamten Oberfläche anwenden kann. Aus diesem Grund wird die Gasdurchlässigkeit des Verbundes als gut10,14verbessert. Darüber hinaus sind die Adhäsion Eigenschaften aufgrund der rauen Oberfläche erzeugt durch die Fasern15verbessert.

Obwohl die weiche Schicht unvergleichliche Vorteile bietet, sollte bei der Umsetzung der darauf geachtet werden, um das beste Ergebnis zu erzielen. Verwenden Sie zuerst eine weiche Schicht ohne Poren oder Mängel. Harz wird heraus durch das Loch, bluten, Dellen führt nach dem Aushärten sowie Verunreinigungen, die Form und Zusammensetzung. Kleine Fältchen verschwinden unter hoher Temperatur und Druck, Löcher jedoch nicht. Zweitens muss die Dicke der die weiche Schicht berücksichtigt werden bei der Gestaltung einer Form, wie z. B. bei der Gestaltung einer Kanalform Form für eine Brennstoffzelle. Messen Sie die Dicke der weiche Schicht nach dem Auftragen eine identische Druck und Temperatur, was verwendet wird, um den Verbund zu heilen; Diese Dicke erlässt für die Formengestaltung. Dritte, mehrere lagen die weiche Schicht sind möglich, aber große Vorsicht geboten, wenn die Anzahl der weichen erhöht Schichten, steigt die Fähigkeit, Harz entfernen. Jedoch können Falten auf die zusammengesetzte Fläche erscheinen. Dies ist besonders auffällig, denn Vlies Carbon Composites fühlte.

Wenn die Fasern nicht gut belichtet sind, gibt es vier Optionen zur Auswahl: erhöhen Sie den heilenden Druck; Erhöhung der Härtungstemperatur; Wählen Sie eine andere weiche Schicht, die geringere mechanische oder thermische Eigenschaften hat; oder bieten Sie einen Hohlraum für das überschüssige Harz. Weil der Grundmechanismus der weiche Schicht Methode in der Verformung der die weiche Schicht unter dem angewandten Druck liegt, kann die Veränderung der Härtung Druck oder Temperatur die Ergebnisse verbessern.

Zusammenfassend, bringt die weiche Schicht-Methode zahlreiche Vorteile, die nicht mit anderen Methoden bei der Implementierung mit der richtigen Pflege möglich waren. Im Vergleich zu den herkömmlichen Methoden zu Fasern auf der Oberfläche zu entlarven, erfordert die weiche Schicht-Methode keine Oberflächenbehandlung Post, so dass es eine ideale Methode für großflächige industrielle Anwendungen wo Produktivität ist ein entscheidender Faktor. Diese Methode kann auf eine allgemeine zusammengesetzten Herstellungsverfahren oder eine allgemeine zusammengesetzte Oberflächenbehandlung-Methode weiter ausgebaut werden.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Acknowledgments

Diese Forschung wurde unterstützt durch den Klima Wandel Forschung Hub von KAIST (gewähren Nr. N11160012), der führende ausländische Forschung Institut Recruitment-Programm durch die National Research Foundation of Korea finanziert vom Ministerium für Wissenschaft, IKT und Zukunft planen (Grant Nr. 2011-0030065), der führenden Human Ressource Trainingsprogramm von Regionale Neo-Industrie durch die National Research Foundation von Korea (NRF) gefördert durch das Ministerium für Wissenschaft, IKT und Zukunft planen (keine zu gewähren. NRF-2016H1D5A1910603). Ihre Unterstützung wird sehr geschätzt.

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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  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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Technik Ausgabe 128 Composite Oberflächen Behandlung Faser-Belichtung Methode weiche Schicht Methode Oberflächenmorphologie elektrischen Eigenschaften mechanische Eigenschaft Bipolarplatte Brennstoffzelle Batterie
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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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