Eksperymentalne wdrożenie nowej metody wytwarzania kompozytów: naświetlanie gołych włókien na powierzchni kompozytu metodą miękkiej warstwy

Podsumowanie

Przedstawiono protokół odsłaniania gołych włókien na powierzchni kompozytu poprzez eliminację obszaru bogatego w żywicę. Włókna są odsłaniane podczas wytwarzania kompozytów, a nie przez obróbkę powierzchni. Odsłonięte kompozyty węglowe charakteryzują się wysoką przewodnością elektryczną w kierunku przekroju i grubością oraz wysokimi właściwościami mechanicznymi.

Streszczenie

Płyta bipolarna jest kluczowym elementem ogniw paliwowych z membraną do wymiany protonów (PEMFC) i wanadowych baterii przepływowych redoks (VRFB). Jest to wielofunkcyjny element, który powinien charakteryzować się wysoką przewodnością elektryczną, wysokimi właściwościami mechanicznymi i wysoką wydajnością.

Pod tym względem, kompozyt z włókna węglowego i żywicy epoksydowej może być idealnym materiałem do zastąpienia konwencjonalnej grafitowej płyty dwubiegunowej, co często prowadzi do katastrofalnej awarii całego systemu ze względu na jego wrodzoną kruchość. Chociaż kompozyt węglowo-epoksydowy ma wysokie właściwości mechaniczne i jest łatwy w produkcji, przewodność elektryczna w kierunku grubości jest słaba ze względu na bogatą w żywicę warstwę, która tworzy się na jego powierzchni. W związku z tym zastosowano ekspandowaną powłokę grafitową, aby rozwiązać problem przewodności elektrycznej. Jednak spieniona powłoka grafitowa nie tylko zwiększa koszty produkcji, ale także ma słabe właściwości mechaniczne.

W tym badaniu zademonstrowano metodę naświetlania włókien na powierzchni kompozytu. Obecnie istnieje wiele metod, które mogą odsłonić włókna poprzez obróbkę powierzchni po wytworzeniu kompozytu. Ta nowa metoda nie wymaga jednak obróbki powierzchniowej, ponieważ włókna są odsłonięte podczas produkcji kompozytu. Dzięki odsłonięciu gołych włókien węglowych na powierzchni, przewodność elektryczna i wytrzymałość mechaniczna kompozytu są drastycznie zwiększone.

Wprowadzenie

Płyta dwubiegunowa jest wielofunkcyjnym kluczowym elementem systemów konwersji energii i systemów magazynowania energii, takich jak ogniwa paliwowe i baterie. Kluczowe wymagania funkcjonalne płyty bipolarnej są następujące: wysoka przewodność elektryczna w kierunku grubości przelotowej w celu zmniejszenia strat omowych, wysokie właściwości mechaniczne wytrzymujące wysokie ciśnienie zagęszczania i uderzenia zewnętrzne oraz wysoka wydajność przy produkcji masowej.

W porównaniu z grafitem i metalami, które były tradycyjnie stosowane jako materiały na płytę bipolarną, kompozyty z włókna węglowego/epoksydu mają wyższą wytrzymałość właściwą i sztywność, co wskazuje, że waga systemu może być znacznie zmniejszona poprzez zastąpienie konwencjonalnych materiałów płyt bipolarnych kompozytami¹. Jednak konwencjonalne kompozyty węglowo-epoksydowe mają słabą przewodność elektryczną w kierunku grubości, co skutkuje dużą powierzchniową rezystancją właściwą (ASR), ze względu na bogatą w żywicę warstwę, która tworzy się na powierzchni kompozytu. Warstwa izolacyjna bogata w żywicę zapobiega bezpośredniemu kontaktowi przewodzących włókien węglowych z sąsiednimi elementami, takimi jak inna płyta bipolarna, warstwa dyfuzyjna gazu (GDL) i elektroda filcowa węglowa (CFE).

Przeprowadzono wiele badań, aby rozwiązać problem wysokiego ASR spowodowanego warstwą bogatą w żywicę. Pierwszym podejściem były metody obróbki powierzchniowej polegające na selektywnym usuwaniu warstwy bogatej w żywicę. Na przykład, próbowano użyć mechanicznego ścierania, aby usunąć żywicę z powierzchni². Jednak włókna węglowe również zostały uszkodzone, co skutkowało słabym ASR. Obróbka plazmowa^3,4 oraz metody obróbki mikrofalowej^5,6 zostały również opracowane w celu uniknięcia uszkodzenia włókien, ale skutkowały niską wydajnością i jednorodnością. Drugie podejście, metody powlekania warstwą przewodzącą, obejmuje ekspandowaną powłokę grafitową^7,8. Metoda ta skutecznie zredukowała ASR i została uznana za standardową metodę wytwarzania kompozytowej płytki bipolarnej. Jest jednak kosztowny i ma problemy z trwałością i rozwarstwieniem ze względu na niską wytrzymałość mechaniczną.

W tym badaniu zademonstrowano "metodę miękkiej warstwy", nowatorską metodę produkcji, która może odsłonić włókna węglowe na powierzchni kompozytowej płyty bipolarnej. Głównym celem tej metody jest uzyskanie niskiego ASR przy niskich kosztach wytworzenia. Metoda miękkiej warstwy przyjmuje cienką miękką warstwę, taką jak polimerowa folia rozdzielająca między formą kompresyjną a płytą bipolarną. Po utwardzeniu w formie kompresyjnej i oderwaniu miękkiej warstwy, wyprodukowana płyta bipolarna wyświetla włókna węglowe odsłonięte na powierzchni bez żadnej obróbki powierzchniowej. Metoda ta nie tylko zmniejszyła ASR, ale także znacznie zwiększyła właściwości mechaniczne i rozwiązała problem przepuszczalności gazów. Metoda ta może być stosowana do wielu innych celów: opracowania płyty przewodzącej prąd elektryczny, produkcji cienkiego kompozytu oraz wykonania połączenia klejowego bez obróbki powierzchniowej.

Protokół

1. Przygotowanie materiału

1. Przygotowanie materiału kompozytowego
   UWAGA: UWAGA, Przed użyciem należy zapoznać się ze wszystkimi odpowiednimi kartami charakterystyki substancji niebezpiecznej (MSDS). Niektóre substancje chemiczne stosowane w tych metodach mogą być toksyczne i rakotwórcze. Nanomateriały mogą wiązać się z dodatkowymi zagrożeniami w porównaniu z ich masowymi odpowiednikami. Podczas przeprowadzania eksperymentu należy stosować wszystkie odpowiednie zasady bezpieczeństwa, w tym używać kontroli inżynieryjnej (dygestoria, schowek na rękawiczki) i środków ochrony osobistej (okulary ochronne, rękawice, fartuch laboratoryjny, długie spodnie, buty z zakrytymi palcami).
   UWAGA: W zależności od zastosowania, rodzaj włókna wzmacniającego może być jednym lub kombinacją następujących: włókno jednokierunkowe, tkanina, filcowina, włókno cięte.
   1. Jednokierunkowy typ światłowodu
      1. Używaj wstępnie impregnowanego materiału kompozytowego (prepregu), ponieważ jest on najwygodniejszy w użyciu.
      2. Ułóż prepreg w kolejności układania zawierającej zarówno 0 °, jak i 90 °, aby uniknąć rozszczepienia. Na przykład ułóż w [0₃/90₃]_s.
   2. Rodzaj tkaniny
      1. Przygotuj tkaną tkaninę węglową i żywicę epoksydową typu foliowego. Jeśli używasz prepregu, pomiń kroki od 1.1.2.1 do 1.1.2.6.
      2. Oczyść tkaninę 99,5% acetonem lub innym rozpuszczalnikiem do odtłuszczenia. Zachowaj ostrożność podczas obchodzenia się z tkaniną po czyszczeniu, aby uniknąć zanieczyszczenia. Umieść tkaninę na czystej powierzchni lub niestrzępiącej się chusteczce.
      3. Usunąć rozpuszczalnik przez suszenie w warunkach otoczenia przez 10 minut.
      4. Zdejmij folię zapasową z żywicy epoksydowej i przymocuj 1 warstwę żywicy epoksydowej typu folia do 1 warstwy tkaniny węglowej.
      5. Umieść tkaninę węglową z dodatkiem żywicy epoksydowej na płycie grzejnej, która jest wstępnie podgrzana do 70 °C przez 10 sekund w celu wstępnej impregnacji.
      6. Schłodzić przygotowany prepreg w warunkach otoczenia przez 10 minut i odkleić drugą folię zapasową.
      7. Ułóż tkaninę w żądanej kolejności układania, na przykład ułóż w [0]₃.
   3. Filc flizelinowy
      1. Przygotuj filc z włókniny.
      2. Oczyść filc 99,5% acetonem lub innym rozpuszczalnikiem do odtłuszczania. Zachowaj ostrożność podczas obchodzenia się z filcem po oczyszczeniu, aby uniknąć zanieczyszczenia. Umieść filc na czystej powierzchni lub niestrzępiącej się chusteczce.
      3. Zdejmij folię zapasową z żywicy epoksydowej i przymocuj 3 warstwy żywicy epoksydowej typu foliowego do 1 warstwy filcu węglowego z każdej strony.
      4. Umieść filc węglowy z żywicą epoksydową na płycie grzejnej, która jest wstępnie podgrzana do 70 °C przez 10 sekund w celu wstępnej impregnacji.
      5. Schłodzić przygotowany prepreg w temperaturze otoczenia przez 10 minut i zdjąć drugą folię zapasową.
2. Przygotowanie warstwy miękkiej
   UWAGA: W przypadku warstwy miękkiej można użyć fluoropolimeru, takiego jak politetrafluoroetylen (PTFE) lub fluorowany etylen propylen (FEP), poliolefinę, taką jak polietylen lub polipropylen, lub kauczuk syntetyczny, taki jak kauczuk silikonowy lub fluoroelastomer. W tym protokole przyjmuje się folię FEP, a jej granica plastyczności drastycznie spada powyżej 120 °C. FEP o grubości 25 μm jest odpowiedni dla jednokierunkowych kompozytów z włókien i włóknin filcowych, podczas gdy grubszy FEP o grubości 100 μm jest odpowiedni dla kompozytów typu tkanina10.
   1. Oczyść miękką warstwę 99,5% acetonem. Obchodź się ostrożnie, aby uniknąć zmarszczek i dziurek.
   2. Zetrzyj aceton z miękkiej warstwy niestrzępiącymi się chusteczkami. Upewnij się, że na miękkiej warstwie nie ma zanieczyszczeń, ponieważ zostaną one przeniesione na kompozyt podczas procesu utwardzania. Zawsze trzymaj miękką warstwę z dala od kurzu i małych cząstek, ponieważ mogą one uszkodzić nie tylko kompozyt, ale także formę kompresyjną.

2. Produkcja kompozytów

1. Montaż formy tłocznej
   1. Przygotować formę tłoczną z wnęką o wielkości 120 mm × 120 mm.
   2. Zastosuj zwalniacz formy do formy zaciskowej. Po prostu wklej lub spryskaj środek do usuwania pleśni do formy i przetrzyj niestrzępiącymi się chusteczkami, aż pozostanie tylko cienka warstwa środka do usuwania pleśni.
   3. Przycięty przygotowany laminat kompozytowy na rozmiar 118 mm × 118 mm.
   4. Umieść 1 warstwę folii FEP o grubości 25 μm na dolnej formie.
   5. Umieść laminat kompozytowy na folii FEP i umieść kolejną folię FEP na laminacie.
   6. Spłaszcz miękką warstwę i usuń pęcherzyki powietrza, które są uwięzione między miękką warstwą a laminatem kompozytowym.
   7. Zamknij formę do formowania tłocznego.
2. Formowanie tłoczne
   1. Podgrzej gorącą prasę do 150 °C.
      UWAGA: W tym stanie temperatura próbki wewnątrz formy wynosi 140 °C. Zastosowanie niższej temperatury jest również możliwe, jeśli do warstwy miękkiej zostanie przyjęty elastomer lub poliolefina. Aby określić temperaturę utwardzania, należy wziąć pod uwagę zarówno temperaturę utwardzania kompozytu, jak i temperaturę miękkości miękkiej warstwy.
   2. Umieść formę w gorącej prasie.
   3. Wywierać nacisk za pomocą gorącej prasy; harmonogram utwardzania i ciśnienie zależą od rodzaju kompozytu.
      1. W przypadku jednokierunkowego kompozytu włóknistego należy stosować stałe ciśnienie 20 MPa przez 30 minut; nie jest wymagany żaden dodatkowy proces.
      2. W przypadku kompozytu typu tkanina należy zastosować 20 MPa. Po 4 minutach i 8 minutach zwolnić przyłożone ciśnienie do zera i natychmiast ponownie zastosować 20 MPa.
         UWAGA: Ten proces nazywa się oczyszczaniem, a jego celem jest usunięcie nadmiaru żywicy i uwięzionych pęcherzyków powietrza. Liczba etapów przedmuchiwania może być zwiększona w zależności od wielkości kompozytu; Kompozyty o większych rozmiarach wymagają większego oczyszczania.
         1. Jednak gdy lepkość żywicy zacznie rosnąć, nie należy jej przedmuchiwać. Utwardzać w sumie przez 30 minut.
      3. W przypadku kompozytu z włókniny filcowej należy stosować 3 MPa przez 30 min. Należy uważać na przeregulowanie ciśnienia, które spowoduje puste przestrzenie i wady produktu końcowego. Powoli zwiększaj ciśnienie, aby uniknąć przeregulowania ciśnienia.
   4. Schłodzić formę tłoczną w gorącej prasie, nie zwalniając ciśnienia poniżej 120 °C, co jest temperaturą zeszklenia wytwarzanego kompozytu.
   5. Zwolnij ciśnienie i wyjmij formę tłoczną z gorącej prasy.
   6. Wyjmij produkt końcowy z formy tłocznej.

Wyniki

Wykonane próbki obserwuje się za pomocą mikroskopii elektronowej skaningowej (SEM) (Rysunek 1). Ponieważ warstwa bogata w żywicę, która pokrywa wierzchołek włókien, ma grubość zaledwie kilku mikrometrów, obraz uzyskany w mikroskopie optycznym z góry próbki nie jest odpowiedni. Obraz z mikroskopu elektronowego skaningowego, uzyskany poprzez przechylenie próbki o 5°, daje bardziej reprezentatywny obraz. W porównaniu do kompozytów wykonanych tradycyjną metodą fo...

Dyskusja

Metoda miękkiej warstwy zapewnia znaczne korzyści w porównaniu z metodami konwencjonalnymi oraz przy niższych kosztach produkcji. Wszystkie trzy rodzaje kompozytów wytwarzanych metodą miękkiej warstwy wykazują unikalne cechy w zakresie właściwości elektrycznych, właściwości mechanicznych, przepuszczalności gazów i przyczepności.

Do pomiaru właściwości elektrycznych zastosowano metodę sondy czteropunktowej. ASR zmierzono 5 razy, a średnią wartość przyjęto jako wartość reprezentatywną dla tej dw...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Jednokierunkowy prepreg węglowy/epoksydowy	SK Chemicals	USN020	Używany do wytwarzania jednokierunkowego kompozytu węglowego
Tkanina węglowa o splocie płóciennym / prepreg epoksydowy	SK Chemicals	WSN 1k	Używany do wytwarzania tkaniny kompozytu węglowego
Tkanina węglowa o splocie płóciennym	SK Chemicals	C-112	Używany do wytwarzania tkaniny kompozytu węglowego
Włóknina filcowa	węglowa Newell	Filc grafitowy 3 mm	Służy do wytwarzania filcu kompozytowego
Żywica epoksydowa typu foliowego	SK Chemicals	K51	Używany jako matryca kompozytu
Aceton 99,5%	Samchun	67-64-1	Używany do czyszczenia włókna węglowego i miękkich warstw
Uwalnianie formy	ShinEtsu	KF-96	Służy do powlekania formy
Folia antyadhezyjna	Airtech	A4000V	Używany jako miękka warstwa
Forma kompresyjna	N / A	N / A Obrabiana	w laboratorium. Materiał: NAK80
Prasa na gorąco	Hydrotek 100	N/A	Służy do wywierania ciśnienia i ciepła
Skaningowy mikroskop elektronowy	FEI Compnay	Magellan 400	Służy do badania powierzchni kompozytu

węglowego