Experimentele implementatie van een nieuwe methode van de samengestelde Fabrication: bloot blote vezels op het samengestelde oppervlak door de zachte laag-methode
October 6th, 2017
Een protocol om bloot blote vezels op het samengestelde oppervlak door het elimineren van hars rijk gebied wordt gepresenteerd. De vezels worden tijdens de fabricage van de composieten, niet door de oppervlakte na de behandeling blootgesteld. De blootgestelde koolstof composieten vertonen hoge elektrische geleidbaarheid in de richting van de via-dikte en hoge mechanische eigenschap.
Het algemene doel van deze procedure is om een vezelversterkte composiet te fabriceren met kale vezels blootgesteld op het oppervlak zonder enige oppervlaktebehandeling. Deze techniek kan kale vezels op een composietoppervlak blootleggen zonder het gebruik van dure en inefficiënte oppervlaktebehandelingen. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat het de elektrische geleidbaarheid en mechanische sterktes van het composiet verbetert.
Deze techniek heeft ook een hoge productiviteit. Om unidirectioneel koolstofvezelweefsel te bereiden, voorgeïmpregneerd met epoxy, stapelt u vierkanten van prepreg met een vezelvolumefractie van 50 tot 60% in een sequentie inclusief nulgraad en 90 graad oriëntaties om splitsing van de laminaat te vermijden. Om elk vierkant van prepreg geweven koolstofvezelweefsel voor te bereiden, reinig eerst het weefsel met aceton of ethanol.
Plaats het weefsel op een schone ondergrond of op een pluisvrij laboratoriumdoek en laat het aceton verdampen onder omgevingsomstandigheden. Verwijder een rugzijde van een vel filmtype epoxyhars met een uithardtemperatuur van 125 graden Celsius. Breng een enkele laag epoxyharsfilm aan op het schone koolstofweefsel.
Plaats het weefsel epoxyzijde naar beneden op een hotplate op 70 graden Celsius. Verhit het weefsel gedurende 10 seconden om het weefsel voor te impregneren met epoxy. Laat het prepreg weefsel 10 minuten afkoelen onder omgevingsomstandigheden.
Verwijder vervolgens de resterende rugzijde van de epoxy-gecoate zijde. Stapel het geweven prepreg weefsel in de gewenste stapelsequentie om het geweven koolstofvezelweefsel laminaat te vormen. Om een niet-geweven koolstofvezelviltlaminaat te bereiden, brengt u drielaags epoxyvel aan op elke zijde van een stuk schoon, droog koolstofvilt.
Verhit de epoxy-gecoate zijden van het vilt gedurende 10 seconden op 70 graden Celsius met massa op de bovenkant. Laat het prepreg vilt 10 minuten afkoelen en verwijder vervolgens de resterende rugzijdes. Was vervolgens vellen van 25 micrometer dik, niet-geperforeerd, gefluoreerd ethyleenpropyleen loslaagfilm met ethanol of aceton.
Droog de FEP-vellen voorzichtig met pluisvrije doeken zonder rimpels of pinholes te veroorzaken. Zorg ervoor dat de vellen vrij zijn van verontreinigingen en deeltjes. Plaats vervolgens elke schone, droge laag tussen pluisvrije doeken en bewaar de vellen in een stofvrije, schone, plastic houder.
Om de composietfabricage te beginnen, brengt u siliconen loslaag aan op de compressievorm. Veeg de vorm af met pluisvrije doeken om slechts een dunne laag loslaag achter te laten. Knip vervolgens een stuk voorbereide koolstofvezellaminaat iets kleiner dan de vormholte.
Plaats een blad van 25 micrometer dikke schone FEP-film op de onderste mal. Plaats het laminaat op de mal en bedek het met 25 of 100 micrometer dikke FEP-film, afhankelijk van het vezeltype. Maak de film voorzichtig glad zodat er geen luchtbellen achterblijven tussen de zachte laag en het laminaat.
Sluit vervolgens de compressievorm. Verhit een hete pers tot 150 graden Celsius en plaats de compressievorm in de pers. Voor een unidirectioneel vezelcomposiet, brengt u constant 20 megapascals aan gedurende 30 minuten.
Voor een geweven composiet, brengt u 20 megapascals aan gedurende vier minuten, laat de druk los en brengt u onmiddellijk 20 megapascals opnieuw aan. Spuit het materiaal op deze manier totdat de viscositeit van de hars begint te stijgen. Houd vervolgens de druk op 20 megapascals totdat het composiet in totaal 30 minuten is uitgehard.
Voor een viltcomposiet, verhoogt u langzaam de druk tot drie megapascals, zorg ervoor dat u niet overschiet. Hard het materiaal gedurende 30 minuten bij drie megapascals. Zodra het monster is uitgehard, koelt u de compressievorm af tot onder 120 graden Celsius zonder de druk los te laten.
Laat vervolgens de druk los, verwijder de mal en ontvorm het gefabriceerde specimen. Scannende elektronenmicroscopiebeelden verkregen bij een kantelt van vijf graden toonden dat vezels in meer detail zichtbaar waren in composieten gemaakt met de zachte-laagmethode dan met conventionele compressievorming. Dit werd toegeschreven aan het elimineren van de harsrijke laag bovenop het composiet.
Ondanks het elimineren van de epoxyharslaag, vertoonden de vezels geen zichtbare defecten. De elektrische geleidbaarheid door de dikte was groter in composieten gemaakt met de zachte-laagmethode, met een overeenkomstige afname van de gebiedsspecifieke weerstand tot onder 20 milliohm per vierkante centimeter bij een compactiedruk van 1,38 megapascals. De gemeten treksterktes van zachte-laag composieten waren vergelijkbaar met die gemaakt door de conventionele compressiemethode.
Het geweven weefsel en vilt composieten vertoonden verhogingen van respectievelijk 22% en 15%. Deze verhogingen werden toegeschreven aan de zachte laag die een uniforme druk over het composietoppervlak uitoefent. Door deze procedure te volgen, zult u zonder moeite een vezelblootstellingscomposiet kunnen fabriceren.
Het mechanisme is eenvoudig. En met een goed begrip van uw materiaal is de implementatie nog eenvoudiger. Terwijl u deze procedure probeert, vergeet dan niet om het af te stemmen op uw specifieke toepassing.
Overweeg de uithardingsconditie van het composiet en de thermische eigenschappen van de zachte laag, en pas de procedure dienovereenkomstig aan om de gewenste resultaten te verkrijgen.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Overzicht
Dit artikel presenteert een protocol voor het fabriceren van vezelversterkte composieten met blote vezels die aan het oppervlak zichtbaar zijn zonder dat er oppervlaktebehandelingen nodig zijn. De techniek verbetert de elektrische geleidbaarheid en mechanische eigenschappen van de composieten terwijl hoge productiviteit wordt gehandhaafd.
Belangrijke studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Composietmaterialen
- Elektrische geleidbaarheid
- Mechanische eigenschappen
Achtergrond
- Traditionele oppervlaktebehandelingen voor composieten kunnen duur en inefficiënt zijn.
- Het blootleggen van blote vezels kan de prestaties van composieten aanzienlijk verbeteren.
- Hoge vezelvolumefracties zijn essentieel voor optimale eigenschappen.
- Unidirectionele koolstofvezelweefsels worden vaak gebruikt bij de fabricage van composieten.
Doel van het onderzoek
- Om een methode te ontwikkelen voor het blootleggen van blote vezels tijdens de fabricage van composieten.
- Om de noodzaak voor oppervlaktebehandelingen na fabricage te elimineren.
- Om de elektrische en mechanische eigenschappen van de composieten te verbeteren.
Gebruikte methoden
- Voorbereiding van unidirectioneel koolstofvezelweefsel voorgeïmpregneerd met epoxy.
- Stapels van vierkanten prepreg met een vezelvolumefractie van 50 tot 60%.
- Oriëntatie van vezels aanbrengen om splitsing van het laminaat te voorkomen.
- Fabric schoonmaken met aceton of ethanol vóór gebruik.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle blootlegging van blote vezels op het composietoppervlak.
- Verbeterde elektrische geleidbaarheid in de dikteroerichting.
- Verbeterde mechanische eigenschappen van het composietmateriaal.
- Hoge productiviteit bereikt in het fabricageproces.
Conclusies
- De voorgestelde methode is effectief voor het verbeteren van composietprestaties.
- Het biedt een kosteneffectieve alternatief voor traditionele oppervlaktebehandelingen.
- Verder onderzoek zou het proces voor verschillende toepassingen kunnen optimaliseren.
Veelgestelde vragen
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.
