Method Article

التنفيذ التجريبي لأسلوب تصنيع مركب جديد: تعريض الألياف العارية على سطح مركب بواسطة الأسلوب طبقة لينة

DOI:

10.3791/55815

⸱

October 6th, 2017

 ,  , 
1Department of Mechanical Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology, 2LANL-CBNU Engineering Institute Korea, Chonbuk National University

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ويرد بروتوكول لفضح ألياف عارية على سطح المركبة عن طريق القضاء على المنطقة الغنية الراتنج. ويتعرض الألياف أثناء تصنيع المواد المركبة، ليس بوظيفة المعالجة السطحية. معرض المركبة يتعرض الكربون الموصلية الكهربائية عالية في الاتجاه من خلال سمك والخصائص الميكانيكية عالية.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

لوحة القطبين عنصر رئيسي في خلايا وقود غشاء تبادل البروتون (بيمفكس) وبطاريات تدفق الأكسدة الفاناديوم (فرفبس). هو مكون متعدد الوظائف ينبغي أن الموصلية الكهربائية العالية وخصائص ميكانيكية عالية وإنتاجية عالية.

وفي هذا الصدد، يمكن أن يكون مركب ألياف الكربون/الإيبوكسي راتنج مادة مثالية لاستبدال لوحة القطبين الجرافيت التقليدية، الذي غالباً ما يؤدي إلى فشل ذريع للنظام بأكمله بسبب هشاشة الملازمة لها. على الرغم من أن له خصائص ميكانيكية عالية مركب الكربون/الإيبوكسي وهي سهلة التصنيع، الموصلية الكهربائية في الاتجاه من خلال سمك ضعيف بسبب الطبقة الغنية الراتنج التي تشكل على سطحه. ولذلك، اعتمد طلاء جرافيت موسعة لحل قضية الموصلية الكهربائية. ومع ذلك، طلاء الجرافيت موسعة ليس فقط يزيد من تكاليف التصنيع لكن له خصائص ميكانيكية الفقيرة أيضا.

ويتجلى في هذه الدراسة، طريقة لكشف الألياف على سطح مركب. وهناك حاليا العديد من الأساليب التي يمكن أن تعرض الألياف بالمعالجة السطحية بعد تلفيق المركب. هذه الطريقة الجديدة، ومع ذلك، لا يتطلب المعالجة السطحية للألياف تتعرض أثناء تصنيع المركب. طريق فضح العارية من ألياف الكربون على السطح، زيادة الموصلية الكهربائية والقوة الميكانيكية للمركب جذريا.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

لوحة القطبين عنصرا رئيسيا متعدد الوظائف لنظم تحويل الطاقة ونظم تخزين الطاقة مثل خلايا الوقود والبطاريات. الاحتياجات الوظيفية الرئيسية للوحة القطبين كما يلي: الموصلية الكهربائية عالية في الاتجاه من خلال سمك الحد المقاومها الخسارة، وارتفاع الخواص الميكانيكية الصمود أمام التأثيرات الخارجية، ضغط انضغاط عالية وعالية الإنتاجية للإنتاج بالجملة.

مقارنة بالجرافيت والمعادن التي اعتمدت تقليديا كمواد للوحة القطبين، المواد المركبة من ألياف الكربون/الإيبوكسي لها قوة محددة أعلى وصلابة، مما يشير إلى أنه يمكن تخفيض وزن النظام إلى حد كبير من استبدال المواد التقليدية بين القطبين لوحة المركبة1. ومع ذلك، قد مركبات الكربون/الإيبوكسي التقليدية الموصلية الكهربائية الفقيرة في الاتجاه من خلال سمك، مما ينتج عنه مقاومة محددة مساحية كبيرة (ASR)، بسبب الطبقة الغنية الراتنج التي تتشكل على سطح مركب. الطبقة الغنية راتنج العازلة يمنع الاتصال المباشر بين ألياف الكربون موصل والمكونات المجاورة، مثل آخر لوحة القطبين، طبقة نشر الغاز (GDL)، والكربون ورأى قطب كهربائي (CFE).

وأجريت العديد من الدراسات لحل العصر عالية بسبب الطبقة الغنية الراتنج. وكان النهج الأول أساليب المعالجة السطحية لإزالة الطبقة الغنية الراتنج بشكل انتقائي. على سبيل المثال، تمت محاولة الكشط الميكانيكية لإزالة الراتنج على السطح2. ومع ذلك، ألياف الكربون أيضا بأضرار، مما أدى العصر فقراء. بلازما العلاج3،4 والميكروويف العلاج أساليب5،6 وضعت أيضا لتجنب إتلاف الألياف، بل أنها أدت إلى انخفاض الإنتاجية، والتوحيد. ويشمل النهج الثاني، طرق طلاء طبقة موصلة، الجرافيت الموسعة طلاء7،8. هذا الأسلوب بنجاح تخفيض في العصر ويعتبر أسلوب قياسي لتصنيع صفيحة القطب مركب. ومع ذلك، أنه مكلف والقضايا المتانة، وتنسل الأطراف نظراً لقوة ميكانيكية منخفضة.

ويتجلى في هذه الدراسة، "الأسلوب طبقة لينة"، رواية تصنيع الأسلوب الذي يمكن أن يعرض ألياف الكربون على سطح مركب لوحة القطبين،. والغرض الرئيسي من هذا الأسلوب الحصول على ASR منخفضة بتكلفة تصنيع منخفضة. ويعتمد أسلوب طبقة لينة طبقة رقيقة لينة مثل فيلم بوليمر إصدار بين ضغط العفن وصفيحة القطب. بعد علاج العفن ضغط وفصل طبقة لينة، يعرض لوحة القطبين ملفقة ألياف الكربون مكشوف على السطح دون أي علاج بعد السطحية. هذا الأسلوب ليس فقط انخفض العصر ولكن أيضا إلى حد كبير زيادة الخواص الميكانيكية وحل قضية الغاز نفاذية. ويمكن تطبيق هذا الأسلوب لأغراض أخرى كثيرة: تطوير صفيحة موصلة كهربائياً، وتصنيع مركب رقيقة، وتلفيق مادة لاصقة المشتركة دون المعالجة السطحية.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. "إعداد مواد"

  1. إعداد المواد المركبة
    ملاحظة: تنبيه، يرجى استشارة صحائف بيانات السلامة المادية ذات الصلة (MSDS) قبل الاستخدام. العديد من المواد الكيميائية المستخدمة في هذه الأساليب قد تكون سامة ومسببة للسرطان. المواد النانوية قد مخاطر إضافية مقارنة بنظيراتها الأكبر. الرجاء استخدام جميع ممارسات السلامة المناسبة عند إجراء تجربة، بما في ذلك استخدام الضوابط الهندسية (الأبخرة هود، صندوق قفازات) ومعدات الحماية الشخصية (سلامة النظارات، قفازات، معطف مختبر، وكامل طول السراويل، أحذية أغلقت تو)-
    ملاحظة: اعتماداً على التطبيق، الألياف يعزز يمكن أن يكون النوع واحد أو مجموعة من الإجراءات التالية: الألياف أحادي الاتجاه، القماش المنسوج، شعر غير المنسوجة، والألياف المقطعة.
    1. نوع الألياف أحادي الاتجاه
      1. استخدام المواد المركبة قبل المشربة (بريبريج)، كما أنها الأكثر ملاءمة لاستخدام.
      2. المكدس بريبريج في تسلسل تراص يحتوي على 0 درجة و 90 درجة تجنب تقسيم. على سبيل المثال، كومة إلى [0 3/90 3] s-
    2. نسج نوع النسيج
      1. تحضير نسيج الكربون المنسوجة والفيلم من نوع الإيبوكسي الراتنج. في حالة استخدام بريبريج، تخطي الخطوات 1.1.2.1 إلى 1.1.2.6-
      2. تطهير النسيج مع الأسيتون 99.5% أو مذيب آخر لإزالة الشحوم. أخذ الحيطة والحذر عند التعامل مع النسيج بعد التنظيف لتجنب التلوث. وضع النسيج على مسح سطح نظيف أو خالية من الوبر.
      3. إزالة المذيب بالتجفيف تحت الظروف المحيطة للحد الأدنى 10
      4. قشر قبالة الفيلم احتياطية من الراتنج الإيبوكسي وإرفاق رقائق 1 من الإيبوكسي نوع الفيلم لرقائق 1 من نسيج الكربون.
      5. مكان نسيج الكربون الإيبوكسي يعلق على صفيحة ساخنة ساخن مسبقاً إلى 70 درجة مئوية لمدة 10 ق لما قبل الحمل-
      6. كول بريبريج المعدة في الظروف المحيطة لمدة 10 دقائق وتقشر الفيلم النسخ الاحتياطي الأخرى.
      7. المكدس في النسيج مع تسلسل التراص المطلوب؛ وعلى سبيل المثال، كومة إلى [0] 3.
    3. رأي محبوكة
      1. إعداد شعر منسوج.
      2. تطهير شعر مع الأسيتون 99.5% أو مذيب آخر لإزالة الشحوم. أخذ الحيطة والحذر عند التعامل مع شعر بعد التطهير لتجنب التلوث. مكان شعر على مسح سطح نظيف أو خالية من الوبر.
      3. قشر قبالة الفيلم احتياطية من الراتنج الإيبوكسي وإرفاق 3 تبحر من الإيبوكسي نوع الفيلم لرقائق 1 من الكربون ورأى على كل جانب.
      4. شعر مكان الكربون الإيبوكسي يعلق على صفيحة ساخنة ساخن مسبقاً إلى 70 درجة مئوية لمدة 10 ق لما قبل الحمل-
      5. كول بريبريج مستعدة في حالة المحيطة لمدة 10 دقائق وتقشر الفيلم النسخ الاحتياطي الأخرى.
  2. إعداد طبقة لينة
    ملاحظة: طبقة لينة، وفلوروبوليمير مثل تترافلوروايثيلين (PTFE) أو المفلورة الإثيلين والبروبيلين (FEP)، أوليفين مثل البولي إيثيلين أو بولي بروبلين، أو ويمكن استخدام المطاط الصناعي مثل مطاط السيليكون أو فلوريد المطاط. في هذا البروتوكول، اعتمد الفيلم FEP، وبه الغلة قوة قطرات جذريا أكثر من 120 ° C. 25-ميكرومتر-سميكة FEP مناسبة للألياف أحادي الاتجاه والمركبة غير المنسوجة شعر، وحين FEP 100 ميكرومتر-سميكة سمكا مناسبة للقماش المنسوج نوع المركبة 10.
    1. طهر طبقة لينة مع الأسيتون 99.5%. التعامل معها بعناية لتجنب التجاعيد والثقوب.
      2. طبقة
    2. مسح قبالة الأسيتون في لينة مع المسحات خالية من الوبر. التأكد من أن هناك لا ملوث على طبقة لينة لأنها ستنقل إلى المركب أثناء عملية التجفيف. دائماً الحفاظ على طبقة لينة بعيداً عن الغبار والجزيئات الصغيرة لهذه قد تلحق الضرر المركب ليس فقط، بل أيضا على ضغط القالب.

2. تصنيع مركب

  1. تثبيت العفن ضغط
    1. إعداد ضغط قالب مع تجويف من حجم 120 ملم × 120 ملم.
    2. تطبيق الإفراج عن العفن العفن ضغط. ببساطة لصق أو رش على إطلاق سراح العفن العفن، وامسح بمناديل خالية من الوبر حتى سوى طبقة رقيقة من العفن الإفراج عن رفات.
    3. قص الرقائق المركبة المعدة لحجم 118 مم × 118 مم-
    4. رقائق 1 مكان 25 ميكرومتر سميكة FEP الفيلم على القالب السفلي.
    5. وضع الرقائق المركبة على الفيلم FEP ومكان آخر FEP الفيلم على الرقائق.
    6. تسطيح طبقة لينة وإزالة فقاعات الهواء التي هي شرك بين طبقة لينة وصفح المركب.
    7. إغلاق العفن لصب الضغط.
  2. ضغط صب
    1. الحرارة الصحافة الساخنة إلى 150 درجة مئوية.
      ملاحظة: درجة حرارة العينة داخل القالب 140 درجة مئوية في هذا الشرط. من الممكن استخدام درجة حرارة أقل أيضا إذا اعتمد الاستومر أو أوليفين لطبقة لينة. النظر في كل درجة حرارة علاج المركب ودرجة حرارة طبقة لينة لتحديد درجة حرارة التجفيف تليين.
    2. ضع القالب في الصحافة الساخنة.
    3. تطبيق الضغط باستخدام الصحافة الساخنة؛ والجدول الزمني والضغط علاج تعتمد على نوع المركبة.
      1. لمركب أحادي ألياف، تطبيق ضغط مستمر من الآلام والكروب الذهنية 20 مدة 30 دقيقة؛ ولا توجد أية عملية إضافية مطلوب.
      2. بالنسبة لمركب نوع قماش منسوج، تطبيق 20 الآلام والكروب الذهنية. بعد دقيقة 4 و 8 دقيقة، الإفراج عن الضغط التطبيقية إلى الصفر ومباشرة تطبيق الآلام والكروب الذهنية 20 مرة أخرى.
        ملاحظة: هذه العملية تسمى التصريف، والغرض منه إزالة الراتنج المفرط وفقاعات الهواء فخ. يمكن زيادة عدد الخطوات التصريف اعتماداً على حجم المركبة؛ أكبر حجم المركبة تتطلب تطهير أكثر.
        1. ومع ذلك، بعد بدء تشغيل لزوجة الراتنج لزيادة، لا تطهير. علاج لمدة 30 دقيقة في المجموع-
      3. لرأي منسوج نوع مركب، تطبيق 3 الآلام والكروب الذهنية للحد الأدنى 30 حذار من الضغط الانحسار، مما سيؤدي إلى الفراغات والعيوب في المنتج النهائي. زيادة الضغط ببطء لتجنب الضغط الانحسار.
    4. باردة ضغط القالب في الصحافة الساخنة دون الإفراج عن الضغط على أدناه 120 درجة مئوية، وهي درجة حرارة التحول الزجاجي للمركب ملفقة.
    5. الإفراج عن الضغط وإزالة العفن ضغط من الصحافة الساخنة.
    6. ديمولد المنتج النهائي من العفن الضغط.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ولوحظت العينات ملفقة باستخدام المسح الضوئي المجهر الإلكتروني (SEM) (الشكل 1). نظراً لأن الطبقة الغنية الراتنج الذي يغطي الجزء العلوي من الألياف إلا عدد قليل ميكرومتر سميكة، صورة مجهرية ضوئية لاحظ في الجزء العلوي من العينة ليس مناسباً. صورة وزارة شؤون المرأة ولاحظ عن إمالة العينة 5 º يوفر صورة أكثر تمثيلاً. المركبة ملفقة بصب الضغط التقليدية، التي سطحها مغطاة الراتنج، بالمقارنة مع يتعرض الألياف العارية الخالية من العيوب عند ملفقة المركبة بواسطة الأسلوب طبقة لين...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

طريقة طبقة لينة يوفر مزايا هامة بالمقارنة مع الأساليب التقليدية، ومع انخفاض تكلفة تصنيع. الأنواع الثلاثة للمركبة المصنوعة بواسطة الأسلوب طبقة لينة إظهار خصائص فريدة من نوعها من حيث الخصائص الكهربائية، الخواص الميكانيكية، والغاز نفاذية وخصائص التصاق.

واستخدمت لقياس الخاصية الكهربائية، أسلوب تحقيق أربع نقاط. العصر وتم قياس 5 مرات وأخذ متوسط القيمة كقيمة تمثيلية لأن لوحة القطبين. تم قياس مجموعة من خمس لوحات القطبين، واستخدمت قيم العصر الحد الأقصى والحد الأدنى لشريط خطأ.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

أيد هذا البحث محور KAIST بحوث تغير المناخ (منح رقم N11160012)، "يؤدي الخارجية معهد التوظيف برنامج البحوث" من خلال "المؤسسة الوطنية للبحوث في كوريا" الممولة من وزارة العلوم وتكنولوجيا المعلومات والاتصالات وتخطيط المستقبل (منحة رقم 2011-0030065)، "تؤدي البشرية مورد البرنامج التدريبي" من الصناعة الجدد الإقليمية عبر الوطنية بحوث مؤسسة من كوريا (جبهة الخلاص الوطني) تمول وزارة العلوم وتكنولوجيا المعلومات والاتصالات و "تخطيط المستقبل" (منحة لا. NRF-2016H1D5A1910603). هي موضع تقدير دعمهم.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
أحادي الاتجاه الكربون / الايبوكسي التقوية المسبقةSK ChemicalsUSN020تستخدم لتصنيع مركب الكربون أحادي الاتجاه
نسيج كربوني نسج عادي / إيبوكسي التقوية المسبقةSK ChemicalsWSN 1kتستخدم لتصنيع مركب الكربون النسيج
عادي نسيج الكربونSK ChemicalsC-112تستخدم لتصنيع مركب الكربون
غير المنسوج شعرنيويلشعر الجرافيت 3 مميستخدم لتصنيع مركب الكربون
الفيلم راتنجات الايبوكسيSK ChemicalsK51تستخدم كمصفوفة من الأسيتون المركب
99.5٪Samchun67-64-1تستخدم لتطهير ألياف الكربون والطبقات الناعمة
إطلاق القالبShinEtsuKF-96تستخدم لطلاء فيلم الافراج عن القالب
AirtechA4000Vتستخدم ك قالب ضغط الطبقة الناعمة
N / AN / Aتشكيله في المختبر. المواد: NAK80
الضغط الساخنHydrotek 100N / Aتستخدم لتطبيق الضغط والحرارة
المجهر الإلكتروني المسحالضوئي FEI CompnayMagellan 400يستخدم للتحقيق في سطح المركب
من نوع

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Hwang, I. U., et al. Bipolar plate made of carbon fiber epoxy composite for polymer electrolyte membrane fuel cells. J Power Sources. 184 (1), 90-94 (2008).
  2. Avasarala, B., Haldar, P. Effect of surface roughness of composite bipolar plates on the contact resistance of a proton exchange membrane fuel cell. J Power Sources. 188 (1), 225-229 (2009).
  3. Yu, H. N., Lim, J. W., Kim, M. K., Lee, D. G. Plasma treatment of the carbon fiber bipolar plate for PEM fuel cell. Compos Struct. 94 (5), 1911-1918 (2012).
  4. Lim, J. W., Lee, D. G. Development of composite-metal hybrid bipolar plates for PEM fuel cells. Int J Hydrogen Energy. 37 (17), (2012).
  5. Kim, B. G., Lee, D. G. Electromagnetic-carbon surface treatment of composite bipolar plate for high-efficiency polymer electrolyte membrane fuel cells. J Power Sources. 195 (6), 1577-1582 (2010).
  6. Kim, B. G., Lim, J. W., Lee, D. G. A single-type aluminum/composite hybrid bipolar plate with surface modification for high efficiency PEMFC. Int J Hydrogen Energy. 36 (4), 3087-3095 (2011).
  7. Yu, H. N., Lim, J. W., Suh, J. D., Lee, D. G. A graphite-coated carbon fiber epoxy composite bipolar plate for polymer electrolyte membrane fuel cell. J Power Sources. 196 (23), 9868-9875 (2011).
  8. Kim, K. H., Kim, B. G., Lee, D. G. Development of carbon composite bipolar plate (BP) for vanadium redox flow battery (VRFB). Compos Struct. 109, 253-259 (2014).
  9. Lee, D., Lim, J. W., Nam, S., Choi, I., Lee, D. G. Gasket-integrated carbon/silicone elastomer composite bipolar plate for high-temperature PEMFC. Compos Struct. 128, 284-290 (2015).
  10. Lee, D., Lee, D. G. Electro-mechanical properties of the carbon fabric composites with fibers exposed on the surface. Compos Struct. 140, 77-83 (2016).
  11. Lee, D., Lim, J. W., Nam, S., Choi, I., Lee, D. G. Method for exposing carbon fibers on composite bipolar plates. Compos Struct. 134, 1-9 (2015).
  12. Lee, D., Lee, D. G. Carbon composite bipolar plate for high-temperature proton exchange membrane fuel cells (HT-PEMFCs). J Power Sources. 327, 119-126 (2016).
  13. Lee, D., Choe, J., Nam, S., Lim, J. W., Choi, I., Lee, D. G. Development of non-woven carbon felt composite bipolar plates using the soft layer method. Compos struct. 160, 976-982 (2016).
  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).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Soft Layer MethodFiber ExposureComposite FabricationElectrical ConductivityMechanical StrengthCompression MoldingCarbon FiberEpoxy ResinFEP FilmScanning Electron Microscopy

Related Articles