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
2017年10月6日
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。
该程序的总体目标是制造一种纤维增强复合材料，裸纤维暴露在表面上，无需任何表面处理。这种技术可以在复合材料表面上暴露裸露纤维，而无需使用昂贵且低效的表面处理。该技术的主要优点是它提高了复合材料的导电性和机械强度。
这项技术也具有很高的生产力。为了制备预浸有环氧树脂的单向碳纤维织物，将纤维体积分数为 50% 至 60% 的预浸料方块按包括零度和 90 度方向的顺序堆叠，以避免层压板开裂。要准备每块预浸料平织碳纤维织物，首先用丙酮或乙醇清洁织物。
将织物放在干净的表面或无绒的实验室抹布上，让丙酮在环境条件下蒸发。剥离固化温度为 125 摄氏度的薄膜型环氧树脂片的一层背衬。在干净的碳纤维织物上涂上一张环氧树脂薄膜。
将织物环氧树脂面朝下放在 70 摄氏度的热板上。将织物加热 10 秒钟，以用环氧树脂预浸渍织物。让预浸料织物在环境条件下冷却 10 分钟。
然后，从环氧树脂涂层面上去除剩余的衬板。按所需的堆叠顺序堆叠平织预浸料织物，形成平织碳纤维织物层压板。要制备无纺布碳纤维毡层压板，请在一块干净、干燥的碳毡的每一面涂上三层环氧树脂板。
将毛毡的环氧树脂涂层面在 70 摄氏度下加热 10 秒钟，每个面在顶部施加质量。让预浸料毡冷却 10 分钟，然后剥下剩余的背板。接下来，用乙醇或丙酮清洗 25 微米厚、无孔、氟化乙烯丙烯离型膜。
用无绒湿巾小心擦干 FEP 板材，不要引起皱纹或针孔。确保板材没有污染物和颗粒物。然后，将每张干净、干燥的床单放在无绒湿巾之间，并将床单存放在无尘、干净的塑料盒中。
要开始复合材料制造，请将硅胶脱模剂涂在压缩模具上。用无绒湿巾擦拭模具，只留下一层薄薄的脱模剂。然后，将一块准备好的碳纤维层压板修剪成略小于模具型腔。
将一张 25 微米厚的干净 FEP 薄膜放在下模上。将层压板放在模具上，并用 25 或 100 微米厚的 FEP 薄膜覆盖，具体取决于纤维类型。小心地将薄膜弄平，以免软层和层压板之间残留气泡。
然后，关闭压缩模具。将热压机加热到 150 摄氏度，然后将压模放入压机中。对于单向纤维复合材料，持续 20 兆帕，持续 30 分钟。
对于编织复合材料，涂抹 20 兆帕，持续 4 分钟，释放压力，然后立即重新涂抹 20 兆帕。以这种方式吹扫材料，直到树脂的粘度开始增加。然后，将压力保持在 20 兆帕，直到复合材料总共固化 30 分钟。
对于毛毡复合材料，慢慢将压力增加到 3 兆帕，注意不要超调。以 3 兆帕的速度固化材料 30 分钟。样品固化后，在不释放压力的情况下，将压缩模具冷却至 120 摄氏度以下。
然后，释放压力，取出模具，对制造的试样进行脱模。以 5 度倾斜度采集的扫描电子显微镜图像显示，与传统压缩成型相比，使用软层方法制造的复合材料中纤维的可见细节更清晰。这归因于消除了复合材料顶部的富含树脂的层。
尽管消除了环氧树脂层，但纤维并没有显示出明显的缺陷。用软层法制造的复合材料的全厚度电导率更高，在 1.38 兆帕的压实压力下，比面积电阻相应地降低到每平方厘米 20 毫欧姆以下。测得的软层复合材料的拉伸强度与通过传统压缩方法制造的拉伸强度相当。
梭织布和毛毡复合材料分别增长了 22% 和 15%。这些增加归因于软层在复合表面上施加均匀的压力。通过遵循此程序，您将能够毫无困难地制造纤维外露复合材料。
机制很简单。通过充分了解您的材料，实施会变得更加简单。在尝试此过程时，请记住对其进行微调以适合您的特定应用程序。
考虑复合材料的固化条件和软层的热性能，并相应地调整程序以获得所需的结果。
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概述
本文介绍了一种制造表面暴露裸纤维的纤维增强复合材料的协议，无需进行表面处理。该技术在保持高生产率的同时，提高了复合材料的电导率和机械性能。
关键研究组成部分
科学领域
- 复合材料
- 电导率
- 机械性能
背景
- 传统的复合材料表面处理可能昂贵且低效。
- 暴露裸纤维可以显著改善复合材料的性能。
- 高纤维体积分数对于最佳性能至关重要。
- 单向碳纤维布常用于复合材料制造。
研究目的
- 开发一种在复合材料制造过程中暴露裸纤维的方法。
- 消除对制造后表面处理的需求。
- 提高复合材料的电导率和机械性能。
使用的方法
- 准备预浸有环氧树脂的单向碳纤维布。
- 叠放具有50到60%纤维体积分数的预浸料方块。
- 安排纤维取向以防止层板分裂。
- 使用前用丙酮或乙醇清洁纤维布。
主要结果
- 成功暴露了复合材料表面的裸纤维。
- 在厚度方向上提高了电导率。
- 增强了复合材料的机械性能。
- 在制造过程中实现了高生产率。
结论
- 所提出的方法对提高复合材料性能是有效的。
- 它为传统表面处理提供了一种经济高效的替代方案。
- 进一步的研究可以优化该过程以适应各种应用。
常见问题
Executive Industry Relevance
This method enables direct exposure of reinforcing fibers during composite fabrication, eliminating costly post-processing steps. By improving through-thickness electrical conductivity and maintaining mechanical integrity, it supports development of multifunctional components for energy storage and electrochemical systems. The approach enhances material performance predictability, reducing risk in early-stage material selection for bipolar plates and similar applications.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables evaluation of fiber-matrix interactions without surface modification artifacts.
- Operational Value: Reduces variability from inconsistent surface treatments across material batches.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Provides reproducible fiber exposure for consistent electrical property measurement.
- Operational Value: Eliminates need for separate surface preparation stations in high-throughput screening.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Supports correlation between fiber exposure levels and functional performance in prototype testing.
- Operational Value: Streamlines scale-up by integrating surface preparation into molding cycle.
Pipeline & Workflow Integration
The technique fits within early material development workflows where electrical conductivity and mechanical stability are co-optimized prior to system integration.
- Discovery Biology: Not applicable; method addresses physicochemical properties rather than biological targets.
- Screening: Enables standardized assessment of conductive composites for electrode or bipolar plate applications.
- Analytics: Facilitates quantitative comparison of through-thickness conductivity and tensile strength across material variants.
- Translational Research: Supports iterative refinement of composite formulations for energy storage device prototypes.
- Enterprise Reuse: Represents a platform-adaptable molding approach applicable across different fiber-resin systems.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity by eliminating resin-rich surface layers that obscure intrinsic fiber properties.
- Operational Value: Increases manufacturing throughput by combining fiber exposure with curing in a single step.
- Strategic Value: Lowers material qualification risk through improved reproducibility of electrical and mechanical benchmarks.
- Portfolio Impact: Enables faster go/no-go decisions on conductive composite candidates by providing reliable early-stage performance data.
Implementation Considerations
- Requires expertise in composite layup and hot-press molding parameters.
- Needs precise control of pressure, temperature, and release film compatibility.
- Demands standardization of FEP film handling to prevent wrinkles or contamination.
- Involves adaptation of stacking sequences and pressure profiles based on fiber architecture (unidirectional, woven, felt).
- Limited by the need for thermal stability in release films during curing cycles.
