새로운 복합 제조 방법의 실험적 구현: 소프트 레이어 방법으로 복합 표면에 벌 거 벗은 섬유 노출

Summary

복합 표면에 벌 거 벗은 섬유 수 지 풍부한 영역을 제거 하 여 노출 하는 프로토콜 제공 됩니다. 섬유는 복합 재료의 제조 동안 게시물 표면 처리에 의해 아닙니다 노출 됩니다. 노출 된 탄소 복합 재료는 높은 전기 전도도 통해 두께 방향 및 높은 기계적 성질에 전시.

Abstract

바이 폴라 플레이트는 양성자 교환 막 연료 전지 (PEMFCs)과 바나듐 산화 환 원 흐름 배터리 (VRFBs)에서 핵심 구성 요소입니다. 그것은 높은 전기 전도도, 높은 기계적 특성, 및 높은 생산성을가지고 있어야 하는 다기능 구성 요소입니다.

이와 관련, 탄소 섬유/에폭시 수 지 합성에 수시로 지도 하는 전체 시스템의 치명적인 오류가 고유의 그것의 취 성 때문에 기존의 흑연 양극 격판덮개를 대체 하는 이상적인 물자 일 수 있다. 탄소/에폭시 복합은 높은 기계적 성질 하 고 제조 하기 쉽습니다, 그것의 표면에 형성 하는 수 지 풍부한 레이어 때문에 통해 두께 방향에서 전기 전도도 가난. 따라서, 확장 된 흑연 코팅 전기 전도도 문제를 해결 하기 위해 채택 되었다. 그러나, 확장 된 흑연 코팅 뿐만 아니라 제조 비용을 증가 하지만 가난한 기계적 성질에는 또한 있다.

이 연구에서는 섬유 복합 표면에 노출 하는 방법을 시연입니다. 합성의 제작 후 표면 처리 하 여 섬유를 노출할 수 있습니다 현재 많은 방법이 있다. 그러나 섬유 합성물의 제조 시 노출 되는 때문에이 새로운 방법은, 표면 처리가 필요 하지 않습니다. 맨 손으로 탄소 섬유 표면에 노출 하 여 복합체의 기계적 강도와 전기 전도도 대폭 증가 된다.

Introduction

바이 폴라 플레이트는 에너지 변환 시스템 및 연료 전지 및 배터리 같은 에너지 저장 시스템의 다기능 핵심 구성 요소입니다. 바이 폴라 플레이트의 주요 기능 요구 사항은 다음과 같습니다: 통해 두께 방향으로 높은 압축 압력 및 외부 충격, 높은 견딜 저항 손실, 높은 기계적 성질을 줄이기 위해 높은 전기 전도도 대량 생산을 위한 생산성입니다.

비해 흑연 및 금속 통상 바이 폴라 플레이트에 대 한 자료로 채택 되었다, 탄소 섬유/에폭시 복합 재료는 높은 특정 강도 및 강성,이 시스템의 무게 크게에 의해 감소 될 수 있다 복합¹기존의 바이 폴라 플레이트 재료를 교체. 그러나, 기존의 탄소/에폭시 복합 재료 합성 표면에 형성 되는 수 지 풍부한 레이어 때문 통해 두께 방향으로 귀착되는 큰 면적 비 저항 (ASR), 빈약한 전기 전도도 가진다. 절연 수 지 부자 층 전도성 탄소 섬유와 같은 다른 바이 폴라 플레이트, 가스 확산 층 (GDL), 인접 한 구성 요소 간의 직접 접촉을 방지 하 고 탄소 전극 (CFE)를 느꼈다.

수 지-부자 계층 인해 높은 ASR를 해결 하기 위해 많은 연구 했다. 첫 번째 방법은 표면 처리 방법을 수 지 풍부한 레이어를 선택적으로 제거 했다. 예를 들어 기계적 마모 표면²에 수 지를 제거 하려고 했습니다. 그러나, 탄소 섬유 또한 손상 되었다, 가난한 ASR 결과. 플라즈마 치료^3,4 , 전자 렌지 치료 방법^5,6 또한 섬유의 손상을 방지 하기 위해 개발 되었습니다 하지만 그들은 낮은 생산성과 균일도에 결과. 두 번째 방법은, 전도성 층 코팅 방법, 확장 된 흑연을 코팅^7,8에 포함 되어 있습니다. 이 메서드는 성공적으로 ASR을 감소 하 고 합성 바이 폴라 플레이트를 제조 하는 표준 방법으로 여겨 왔다. 그러나, 그것은 비용이 많이 드는 하 고 내구성 및 박 리 문제 때문에 낮은 기계적 강도 있다.

이 연구에서 "소프트 레이어 방법", 소설 제조 탄소 섬유 복합 바이 폴라 플레이트 표면에 노출 될 수 있는 방법 시연입니다. 이 방법의 주요 목적은 낮은 제조 비용으로 낮은 ASR를 얻을 것입니다. 소프트 레이어 방법 압축 형과 바이 폴라 플레이트 사이 폴리머 형 필름 등 얇은 부드러운 레이어를 채택 한다. 압축 형 및 소프트 레이어 분리에서 치료 후 조작된 바이 폴라 플레이트 표시 탄소 섬유 후 표면 치료 없이 표면에 노출 됩니다. 이 방법 뿐만 아니라 ASR을 감소 하지만 크게 기계적 특성 증가 및 가스 침투성 문제 해결. 이 방법은 많은 다른 목적을 위해 적용할 수 있습니다: 전기 전도성 격판덮개, 얇은 합성의 제조 및 표면 처리 없이 공동 접착제의 제조의 개발.

Protocol

1. 재료 준비

1. 복합 재료의 준비
   참고: 주의 제발 사용 하기 전에 모든 관련 물질 안전 데이터 시트 (MSDS)를 참조 하십시오. 이 방법에 사용 되는 화학 물질의 여러 발암 성 및 독성이 있을 수 있습니다. 나노 재료는 그들의 대량 대응에 비해 추가 위험 할 수 있습니다. 공학적 통제 (연기 후드, 글로브 박스) 및 개인 보호 장비 (보호 안경, 장갑, 실험실 코트, 전장 바지, 폐쇄 발가락 신발)의 사용을 포함 하 여 실험을 수행할 때 모든 적절 한 안전 관행을 사용 하십시오.
   참고: 응용 프로그램에 따라 강화 섬유의 종류 수 하나 또는 다음의 조합: 단방향 섬유, 직물, 비-짠 느낌, 잘게 잘린된 섬유.
   1. 단방향 섬유 유형
      1. 사용 전 수태 복합 재료 (프리 프레 그), 그것은 사용 하기 가장 편리.
      2. 0 °와 90 °를 피하기 위해 분할 포함 된 스택 순서로 프리 프레 그를 스택. 예를 들어로 스택 [0 ₃ / 90 ₃] _s.
   2. 짠 직물 유형
      1. 준비 짠된 탄소 섬유 및 필름 형 에폭시 수 지. 프리 프레 그를 사용 하 여 단계 1.1.2.1 1.1.2.6 건너뜁니다.
      2. 정화 99.5% 아세톤 또는 다른 용 매 탈지에 직물. 오염을 피하기 위하여 청소 후 직물을 처리할 때 주의 가져가 라. 깨끗 한 표면 또는 보풀 지우기에 직물을 놓습니다.
      3. 10 분에 대 한 주위 조건 하에서 건조 하 여 용 매를 제거
      4. 껍질 에폭시 수 지의 백업 영화 고 탄소 직물의 1 가닥 1 가닥의 필름 타입 에폭시 연결할.
      5. 에폭시 연결 된 탄소 직물은 미리 10 70 ° C에가 열 하는 뜨거운 접시에 배치 미리 임신에 대 한 s.
      6. 10 분 주변 조건에서 준비 프리 프레 그를 냉각 하 고 다른 백업 영화 벗기다.
      7. 스택 원하는 스태킹 순서를 가진 직물; 예를 들어 [0]로 스택 ₃.
   3. 비-짠 느낌
      1. 직 펠트 준비.
      2. 정화 99.5% 아세톤 또는 다른 용 매 탈지에 대 한 느낌. 오염을 방지 하는 세 안 후 느낌을 처리할 때 주의 가져가 라. 깨끗 한 표면 또는 보풀 지우기에 펠트를 놓습니다.
      3. 껍질 에폭시 수 지의 백업 영화 고 탄소 양쪽에 느꼈다 1 가닥에 연결할 필름 형 에폭시 3 plies.
      4. 장소 에폭시 연결 된 탄소는 미리 10 70 ° C에가 열 하는 뜨거운 접시에 느낀 전 임신에 대 한 s.
      5. 10 분 대기 상태에서 준비 프리 프레 그를 냉각 하 고 다른 백업 영화 벗기다.
2. 소프트 레이어 준비
   참고: 소프트 레이어, 소계 (PTFE) 또는 플 루 오 르 에틸렌 프로필 렌 (FEP), 폴 리 에틸렌 이나 폴 리 프로필 렌, 폴리올 레 핀 등 약품에 대 한 또는 합성 고무 실리콘 고무는 fluoroelastomer 등을 사용할 수 있습니다. 이 프로토콜에서 FEP 필름 채택 되 고 그것의 항복 강도 방울 크게 이상 120 ° C. 25 µ m 두께 FEP는 두꺼운 100 µ m 두께 FEP는 직물에 대 한 적절 한 단방향 섬유 및 비 짠 느낌된 합성, 적합 복합 ¹⁰을 입력 합니다.
3. 정화 99.5% 아세톤과 소프트 레이어
   . 주름과 핀 홀을 피하기 위해 주의 처리.
   1. 닦아 소프트에 아세톤에서 보풀 잎사귀와 레이어. 아무 오염 소프트 레이어 때문에 그것은 합성 치료 과정 동안 전송 됩니다 확인 하십시오. 이러한 합성 뿐만 아니라 압축 형 손상 될 수 있기 때문에 항상 먼지와 작은 입자에서 부드러운 레이어를 유지.

2. 복합 제조

1. 압축 금형의 설치
   1. 크기 120 m m × 120 m m의 구멍을 가진 압축 형 준비.
   2. 압축 금형 몰드 릴리스를 적용 됩니다. 간단 하 게 붙여 또는 스프레이 금형에 몰드 릴리스 및 몰드 릴리스 남아의 단지 얇은 층까지 보풀 물티슈로 닦아.
   3. 준비 복합 라미네이트 118 m m × 118 m m의 크기로 잘라.
   4. 더 낮은 형에 25 µ m 두께 FEP 필름의 장소 1 가닥.
   5. FEP 필름에 복합 라미네이트를 놓고 다른 FEP 필름 라미네이트에 배치.
   6. 부드러운 레이어를 평평 하 고 부드러운 레이어 및 복합 라미네이트 사이 갇힌 기포 제거.
   7. 압축 성형 금형 닫습니다.
2. 압축 성형
   1. 150 뜨거운 압박 열 ° c.
      참고: 금형 내부 시료의 온도이 상태에서 140 ° C. 낮은 온도 사용 하 여도 탄성 중합체 또는 폴리올 부드러운 레이어 채택 되 면 가능 하다. 모두 합성의 경화 온도 및 경화 온도 결정 하는 소프트 레이어의 연 화 온도 고려 하십시오.
   2. 뜨거운 압박에 금형 장소.
   3. 적용 압력 뜨거운 압박을 사용 하 여, 치료 일정 및 압력 복합 유형에 따라 다릅니다.
      1. 단방향 섬유 복합 적용 30 분 20 MPa의 압력을 일정, 추가 과정이 필요 없습니다.
      2. 직물 유형 복합 적용 20 MPa. 4 분 8 분 후에, 적용된 압력 0 놓고 즉시 20 MPa를 다시 적용.
         참고:이 과정은 불린다 정화, 그리고 그 목적은 제거 과도 한 수 지와 봉된 공기 방울. 정화 단계 수 합성;의 크기에 따라 증가 될 수 있습니다. 더 큰 크기 합성 더 제거 해야합니다. 그러나
         1. , 수 지의 점도 증가, 시작 후 할 제거 되지. 총에서 30 분을 위한 치료.
      3. 비 짠 느낌 유형 합성, 3 MPa 공 극 귀 착될 것 이다 압력 슛의 30 분 주의 대 한 적용 및 최종 제품에 결함. 천천히 압력 오버 슈트를 방지 하는 압력을 증가.
   4. 조작된 합성의 유리 전이 온도 120 ° C 아래에 압력을 해제 하지 않고 뜨거운 압박에 압축 금형 냉각.
   5. 압력을 놓고 뜨거운 압박에서 압축 몰드 제거.
   6. 압축 금형에서 최종 제품을 demold.

Results

조작된 표본 스캐닝 전자 현미경 (SEM) (그림 1)를 사용 하 여 관찰 된다. 섬유의 상단을 커버 수 지 풍부한 레이어만 몇 마이크로미터 두께 때문에 표본의 상단에서 광학 현미경 이미지 적합 하지 않다. 5 °는 시료를 기울임으로써 관찰 SEM 이미지를 더 대표 이미지를 제공 합니다. 합성 수 지로 덮여 그 표면에는, 기존의 압축 성형에 의해 조작에 비해 벌 거 벗은 섬유 노출 됩니다 결함 없이 복합 소프트 레이어 방법으로 조작 하는 경우. 소프트 레이어 방법 단방향 탄소 합성, 탄소 섬유 합성, 그리고 느꼈다 탄소 합성에 적용 했다.

그림 1...

Discussion

소프트 레이어 메서드는 전통적인 방법, 그리고 낮은 제조 비용에 비해 상당한 이점을 제공 합니다. 모든 세 가지 유형의 소프트 레이어 방법에 의해 제조 하는 복합 전기적 특성, 기계적 특성, 가스 침투성 및 접착 속성 고유한 특성을 표시 합니다.

전기 속성의 측정을 위해 4 포인트 프로브 방법은 사용 되었다. ASR 5 번 측정 했다 그리고 평균 값 그 바이 폴라 플레이트에 대 한 대표 값으로 찍은. 총 5 개의 바이 폴라 플레이트 측정 되었다, 그리고 최대 및 최소 ASR 값이 오차 막대에 대 한 사용 되었다.

통해 두께 방향에서 전기 전도도 노출된 탄소 섬유 (그림 2a)으로 크게 증가 하 고 ASR의 DOE 대상 (학과 미국, 에너지의) 만족 < 압축 아래 20 mΩ∙cm² 1.38 MPa의 압력입니다. 기계적 성질 측정에 대 한 인장 시험 AS...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
단방향 탄소/에폭시 프리프레그	SK Chemicals	USN020	단방향 탄소 복합재 제작에 사용
평직 탄소 직물/에폭시 프리프레그	SK Chemicals	WSN 1k	직물 탄소 복합재 제작에 사용
평직 탄소 섬유	SK Chemicals	C-112	직물 탄소 복합재 제작에 사용
부직포 탄소 펠트	Newell	흑연 펠트 3mm	펠트 탄소 복합재
필름형 에폭시 수지	SK Chemicals	K51
아세톤 99.5%	삼춘	67-64-1	탄소 섬유 및 연질층을 세척하는 데 사용
이형	ShinEtsu	KF-96	을 코팅하는 데 사용
	Airtech	A4000V	사용 소프트 레이어
압축 금형	N / A	N / A	실험실에서 가공. 재질 : NAK80
핫 프레스	Hydrotek 100	N / A	압력 및 열을 가하는 데 사용
주사 전자 현미경	FEI Compnay	Magellan 400	복합재의 표면을 조사하는 데 사용