Implementación experimental de un nuevo método de fabricación compuesto: exponer desnudas fibras en la superficie del compuesto por el método de capa suave

Summary

Se presenta un protocolo para exponer desnudas fibras en la superficie del compuesto mediante la eliminación de la zona rica de resina. Las fibras están expuestas durante la fabricación de los compuestos, no por el tratamiento superficial de post. Los compuestos de carbono expuestas presentan alta conductividad eléctrica en la dirección de espesor y altas propiedades mecánicas.

Abstract

La placa bipolar es un componente clave en pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFCs) y baterías de flujo de redox de vanadio (VRFBs). Es un componente multifuncional que debe tener alta conductividad, altas características mecánicas y alta productividad.

En este sentido, un compuesto de resina de fibra de carbono/epoxy puede ser un material ideal para sustituir la placa bipolar de grafito convencional, que a menudo conduce a la falla catastrófica de todo el sistema debido a su inherente fragilidad. Aunque el compuesto de carbono/epoxy tiene elevadas propiedades mecánicas y es fácil de fabricar, la conductividad eléctrica en la dirección del espesor es pobre debido a la capa rica en resina que forma en su superficie. Por lo tanto, una capa de grafito expandido fue adoptada para resolver el problema de la conductividad eléctrica. Sin embargo, la capa de grafito expandido no sólo aumenta los costos de fabricación pero también tiene propiedades mecánicas pobres.

En este estudio, se demuestra un método para exponer las fibras en la superficie del compuesto. Existen actualmente varios métodos que pueden exponer las fibras por tratamiento superficial después de la fabricación del compuesto. Este nuevo método, sin embargo, no requiere tratamiento superficial porque las fibras están expuestas durante la fabricación del compuesto. Al exponer el pelado fibras de carbono en la superficie, la conductividad eléctrica y resistencia mecánica del compuesto aumentan drásticamente.

Introduction

La placa bipolar es un componente clave de múltiples funciones de sistemas de conversión de energía y sistemas de almacenamiento de energía como celdas de combustible y baterías. Los requisitos funcionales clave de la placa bipolar son las siguientes: alta conductividad eléctrica en la dirección del espesor para reducir la pérdida óhmica, altas propiedades mecánicas para soportar la presión de compactación alta e impactos externos y alta productividad para la producción masiva.

Comparado con el grafito y metales que fueron adoptados convencionalmente como materiales para la placa bipolar, composites de fibra de carbono/epoxi tienen una mayor resistencia específica y la rigidez, lo que indica que el peso del sistema puede ser reducido por sustitución de los materiales de placa bipolar convencional con compuestos¹. Sin embargo, compuestos de carbono/epoxy convencionales tienen mala conductividad eléctrica en la dirección del espesor, que se traduce en una resistencia específica de área grande (ASR), debido a la capa rica en resina que se forma en la superficie del compuesto. La capa rica en resina aislante previene el contacto directo entre los conductores de fibras de carbono y componentes adyacentes, como la otra placa bipolar, capa de la difusión del gas (GDL), y carbono sentía electrodo (CFE).

Muchos estudios se llevaron a cabo para resolver el ASR alta debido a la capa rica en resina. El primer acercamiento fue métodos de tratamiento superficial para eliminar selectivamente la capa rica en resina. Por ejemplo, abrasión mecánica se ha intentado quitar la resina en la superficie². Sin embargo, las fibras de carbono fueron dañadas también, que dio lugar a un pobre ASR. Plasma tratamiento^3,4 y microondas tratamiento métodos^5,6 también fueron desarrollados para evitar el daño de la fibra, pero dio lugar a la uniformidad y baja productividad. El segundo enfoque, métodos de revestimiento capa conductora, incluye grafito expandido capa^7,8. Este método reduce el ASR y ha sido considerado como un método estándar para la fabricación de una placa bipolar compuesta con éxito. Sin embargo, es costoso y tiene problemas de durabilidad y delaminación debido a la baja resistencia mecánica.

En este estudio, se demuestra el método"capa blanda", una novela método que puede dejar al descubierto las fibras de carbono en la superficie de la placa bipolar compuesta, de fabricación. El objetivo principal de este método es obtener un ASR baja con un coste de fabricación bajo. El método de capa suave adopta una fina capa suave como una película de lanzamiento del polímero entre el molde de compresión y placa bipolar. Después de curar en el molde de la compresión y el desprendimiento de la capa blanda, la placa bipolar fabricada muestra las fibras de carbono expuestas en la superficie sin tratamiento superficial posterior. Este método no sólo disminuyó el ASR pero también significativamente aumenta las propiedades mecánicas y había solucionado el problema de permeabilidad de gas. Este método puede aplicarse para muchos otros fines: el desarrollo de una placa conductora, la fabricación de una composición fina y la fabricación de un adhesivo común sin tratamiento superficial.

Protocol

1. preparación de material

1. preparación del material compuesto
   Nota: PRECAUCIÓN, por favor consulte todas las hojas de datos de seguridad del material (MSDS) antes de su uso. Varios de los productos químicos usados en estos métodos pueden ser tóxicos y cancerígenos. Nanomateriales pueden tener peligros adicionales en comparación con sus contrapartes a granel. Utilice todas las prácticas de seguridad apropiadas cuando se realiza un experimento, incluyendo el uso de controles de ingeniería (campana, guantera) y equipo de protección personal (gafas, guantes, bata, pantalones largos, zapatos cerrados).
   Nota: Dependiendo de la aplicación, el tipo de fibra de refuerzo puede ser uno o una combinación de los siguientes: fibra unidireccional, fieltro no tejido, tejido, fibra cortada.
   1. Unidireccional de la fibra del tipo
      1. usar material compuesto previamente impregnado (preimpregnados), ya que es el más cómodo de usar.
      2. Pila de preimpregnados en una secuencia de apilamiento con 0 ° y 90 ° para evitar rajaduras. Por ejemplo, la pila en [0 ₃ 90 ₃] _s.
   2. Tipo de tela de tejido
      1. preparar la tela de tejido de carbono y el tipo de película de resina epoxi. Si utiliza un prepreg, omita los pasos 1.1.2.1 a 1.1.2.6.
      2. Limpiar a la tela con 99.5% acetona u otro solvente para desengrasar. Tenga precaución al manipular a la tela después de la limpieza para evitar la contaminación. Coloque la tela en un superficie limpia o pelusa paño.
      3. Eliminar el disolvente por la sequía bajo condiciones de ambiente durante 10 minutos
      4. Peel off de la película copia de seguridad de la resina de epoxy y colocar 1 capa de epoxi tipo a 1 capa de fibra de carbono.
      5. Coloque la tela de carbono epoxy-conectados sobre una placa caliente que es precalentada a 70 ° C durante 10 s para la impregnación previa.
      6. Enfriar el prepreg preparado en condiciones ambientales durante 10 minutos y retire la película otra copia de seguridad.
      7. La tela con la secuencia deseada de apilado de la pila, la pila por ejemplo, en [0] ₃.
   3. Non-woven sentía
      1. preparar el fieltro no tejido.
      2. Limpiar el fieltro con 99.5% acetona u otro solvente para desengrasar. Tenga precaución al manipular el sentido después de la limpieza para evitar la contaminación. Colocar el fieltro en un paño limpio la superficie o pelusa.
      3. Peel off de la película copia de seguridad de la resina de epoxy y colocar 3 capas de epoxi tipo a 1 capa de carbono en cada lado.
      4. Lugar el carbono Unido epoxi fieltro sobre una placa caliente que es precalentada a 70 ° C durante 10 s para la impregnación previa.
      5. Enfriar el prepreg dispuesto en la condición ambiente durante 10 minutos y retire la película otra copia de seguridad.
2. Preparación de la capa blanda
   Nota: para la capa suave, un fluoropolímero como fluorado etileno propileno (FEP), poliolefinas como el polietileno o polipropileno, politetrafluoroetileno (PTFE) o un caucho sintético tales como caucho de silicón o un fluoroelastomer puede ser utilizado. En este protocolo, película de FEP se adopta, y su rendimiento fuerza gotas drásticamente más de 120 ° C. 25 μm de espesor FEP es conveniente para fibra unidireccional y composites de fieltro no tejido, conviene un FEP de 100 μm de espesor más grueso para tejido compuestos de tipo ¹⁰.
   1. Limpiar la capa blanda con acetona 99,5%. Manejar con cuidado para evitar las arrugas y poros.
   2. Paño de la acetona en la suave capa con trapos libres de pelusa. No Asegúrese de que ningún contaminante en la capa suave porque se transferirá a la resina durante el proceso de curado. Mantenga siempre la suave capa de polvo y pequeñas partículas ya que pueden dañar no sólo la composición sino también el molde de la compresión.

2. Fabricación de compuestos

1. instalación del molde de compresión
   1. preparar un molde de compresión con una cavidad de tamaño 120 x 120 mm.
   2. Aplicar el desmoldante al molde de compresión. Simplemente pegue o spray desmoldante al molde y limpiar con trapos sin pelusa hasta sólo una fina capa de restos de liberación de molde.
   3. Cortar el laminado compuesto preparado para un tamaño de 118 x 118 mm.
   4. Colocar 1 capa de película de FEP de 25 μm de espesor en el molde inferior.
   5. El compuesto laminado en la película de FEP y otra película de FEP en el laminado de.
   6. Aplanar la capa suave y eliminar las burbujas de aire que están atrapadas entre la capa suave y compuesto laminado.
   7. Cerrar el molde para el moldeo por compresión.
2. De moldeo por compresión
   1. calentar la prensa caliente a 150 ° C.
      Nota: La temperatura de la muestra dentro del molde es de 140 ° C en esta condición. El uso de una temperatura más baja también es posible si se adopta un elastómero o poliolefina para la capa blanda. Considerar tanto la temperatura de curado del compuesto y la temperatura de ablandamiento de la capa suave para determinar la temperatura de curado.
   2. Colocar el molde en la prensa caliente.
   3. Aplicar presión con la prensa caliente; el curado horario y presión dependen del tipo de compuesto.
      1. Para un compuesto de fibra unidireccional, aplique una presión constante de 20 MPa por 30 min; no se requiere ningún proceso adicional.
      2. Para un compuesto del tipo de tejido, aplique 20 MPa. Después de 4 minutos y 8 minutos, liberar la presión a cero y aplicar inmediatamente MPa 20 otra vez.
         Nota: Este proceso se llama purga, y su propósito es quitar excesiva resina y burbujas de aire atrapado. El número de pasos purgantes puede incrementarse dependiendo del tamaño del compuesto; compuestos de mayor tamaño requieren más limpieza.
         1. Sin embargo, después de que la viscosidad de la resina comienza a aumentar, no purga. Curación por 30 min en total.
      3. Para el no tejido fieltro tipo compuesto, aplicar 3 MPa 30 min cuidado de rebasamiento de la presión, que darán lugar a vacíos o defectos en el producto final. Aumentar la presión lentamente para evitar presión overshoot.
   4. Enfriar el molde de compresión en la prensa caliente sin soltar la presión por debajo de 120 ° C, que es la temperatura de transición vítrea del compuesto fabricado.
   5. Libere la presión y retire el molde de la compresión de la prensa caliente.
   6. El producto final del molde de la compresión del demold.

Results

Los especímenes fabricados se observan con microscopía electrónica (SEM) (figura 1). Porque la capa rica en resina que cubre la parte superior de las fibras es de sólo unos micrómetros de espesor, un óptico de la imagen microscópico observado en la parte superior de la muestra no es apropiado. Una imagen de SEM observada por la inclinación de la muestra en 5° proporciona una imagen más representativa. En comparación con los compuestos fabricados por moldeo po...

Discussion

El método de capa suave proporciona ventajas significativas en comparación con los métodos convencionales y con un menor costo de fabricación. Los tres tipos de materiales compuestos fabricados por el método de capa suave muestran características únicas en términos de las propiedades eléctricas, propiedades mecánicas, permeabilidad de gas y propiedades de adhesión.

Para la medición de las propiedades eléctricas, se utilizó un método de sondeo de cuatro puntos. ASR se midió 5 veces y el valor p...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Preimpregnado unidireccional de carbono/epoxi	SK Chemicals	USN020	Se utiliza para fabricar un compuesto de carbono unidireccional
Tejido de carbono de tejido liso/preimpregnado epoxi	SK Chemicals	WSN 1k	Se utiliza para fabricar tejidos
Tejido de carbono de tejido liso	SK Chemicals	C-112	Se utiliza para fabricar tejidos
compuestos de carbono Fieltro de carbono no tejido	Newell	Fieltro de grafito 3 mm	Se utiliza para fabricar fieltro
Resina epoxi tipo película	SK Chemicals	K51	Se utiliza como matriz del compuesto
Acetona 99.5%	Samchun	67-64-1	Se utiliza para limpiar la fibra de carbono y las capas blandas
Desmoldante	ShinEtsu	KF-96	Se utiliza para recubrir el molde
Película de liberación	Airtech	A4000V	Utilizado como
Molde de compresión	blanda N/A	N/A	Mecanizado en laboratorio. Material: NAK80
Prensa en caliente	Hydrotek 100	N/A	Se utiliza para aplicar presión y calor
Microscopio electrónico de barrido	FEI Compnay	Magellan 400	Se utiliza para investigar la superficie del compuesto