Implementação experimental de um novo método de fabricação de compósitos: expondo desencapadas fibras na superfície composta pelo método suave camada

Summary

Um protocolo para expor desencapadas fibras na superfície do composto, eliminando a área rica de resina é apresentado. As fibras são expostas durante a fabricação dos compósitos, não com o tratamento de superfície de post. Os compósitos de carbono exposta apresentam alta condutividade elétrica, na direção do através de-espessura e elevada Propriedade mecânica.

Abstract

A placa bipolar é um componente chave em células de combustível de membrana próton exchange (PEMFCs) e baterias de fluxo de redox de vanádio (VRFBs). É um componente multi-funcional que deve ter alta condutividade elétrica, altas propriedades mecânicas e alta produtividade.

A este respeito, um composto de resina de fibra de carbono/epóxi pode ser um material ideal para substituir a placa de grafite convencional bipolar, que muitas vezes leva à falha catastrófica de todo o sistema por causa de sua fragilidade inerente. Embora o composto de carbono/epóxi tem altas propriedades mecânicas e é fácil de fabricar, a condutividade elétrica na direção através de espessura é pobre por causa da camada de resina-rica que se forma em sua superfície. Portanto, um revestimento de grafite expandido foi adotado para resolver o problema de condutividade elétrica. No entanto, o revestimento de grafite expandido não só aumenta os custos de fabricação, mas também tem propriedades mecânicas pobres.

Neste estudo, um método para expor as fibras na superfície do composto é demonstrado. Existem atualmente vários métodos que podem expor as fibras por tratamento de superfície após a fabricação da resina composta. Este novo método, no entanto, não requer tratamento de superfície porque as fibras são expostas durante a fabricação da resina composta. Expondo as próprias fibras de carbono na superfície, a condutividade elétrica e resistência mecânica do compósito aumentam drasticamente.

Introduction

A placa bipolar é um componente-chave multi-funcional de sistemas de conversão de energia e sistemas de armazenamento de energia como combustível de pilhas e baterias. Os principais requisitos funcionais da placa bipolar são os seguintes: alta condutividade elétrica na direção através de espessura para reduzir a perda ôhmica, altas propriedades mecânicas para suportar a pressão de alta compactação e impactos externos e alta produtividade para produção em massa.

Comparado com o grafite e metais convencionalmente adotados como materiais para a placa de bipolar, compósitos de fibra de carbono/epóxi têm uma maior resistência específica e rigidez, o que indica que o peso do sistema pode ser reduzido por substituindo os materiais convencionais placa bipolar com compósitos¹. No entanto, compostos de carbono/epóxi convencionais têm pobre condutividade elétrica na direção através da espessura, o que resulta em uma grande areal de resistência específica (ASR), devido à camada de resina-rica que é formada na superfície do composto. A camada isolante de resina-rica impede o contato direto entre as fibras de carbono condutoras e componentes adjacentes, tais como outra placa bipolar, camada de difusão do gás (GDL), e carbono senti eletrodo (CFE).

Muitos estudos foram realizados para resolver o ASR alta devido à camada de resina-rica. A primeira abordagem foi métodos de tratamento de superfície para remover seletivamente a camada de resina-rica. Por exemplo, abrasão mecânica foi tentada para remover a resina sobre a superfície². No entanto, as fibras de carbono também foram danificadas, que resultou em um pobre ASR. Plasma tratamento^3,4 e microondas tratamento métodos^5,6 também foram desenvolvidos para evitar danos de fibra, mas eles resultaram em baixa produtividade e uniformidade. A segunda abordagem, métodos de revestimento de camada condutora, inclui grafite expandido revestimento^7,8. Esse método com êxito reduzido a ASR e tem sido considerado como um método padrão para a fabricação de uma placa composta de bipolar. No entanto, é caro e tem problemas de durabilidade e delaminação devido a baixa resistência mecânica.

Neste estudo, o "método de camada macia", um romance que pode expor as fibras de carbono na superfície de placa composta de bipolar, método de fabricação é demonstrado. O principal objetivo desse método é obter um ASR baixa com um custo de produção baixo. O método de camada macia adota uma camada fina e suave como um filme de lançamento do polímero entre o molde de compressão e placa bipolar. Após a cura do molde de compressão e a desanexação da camada mole, a placa fabricada bipolar exibe expostas na superfície sem qualquer tratamento pós-superfície de fibras de carbono. Este método não só diminuiu o ASR mas também significativamente aumentado as propriedades mecânicas e resolveu o problema de permeabilidade de gás. Esse método pode ser aplicado para muitas outras finalidades: o desenvolvimento de uma placa eletricamente condutora, a fabricação de um composto fino e a fabricação de um adesivo comum sem tratamento de superfície.

Protocol

1. preparação de material

1. preparação do material composto
   Nota: cuidado, por favor, consultar todas as fichas de dados de segurança (MSDS) antes do uso. Vários dos produtos químicos utilizados em um desses métodos podem ser tóxico e cancerígeno. Nanomateriais podem ter riscos adicionais, em comparação com suas contrapartes em massa. Por favor, use todas as práticas de segurança adequadas ao realizar um experimento, incluindo o uso de controles de engenharia (coifa, luvas) e equipamento de protecção pessoal (óculos de segurança, luvas, jaleco, calça longa-metragem, sapatos fechados).
   Nota: Dependendo da aplicação, o tipo de fibra de reforço pode ser um ou uma combinação das seguintes opções: unidirecional da fibra, tecido, feltro não tecido, fibra picada.
   1. Tipo unidirecional da fibra
      1. usar pré-impregnados de material compósito (prepreg), como é o mais conveniente usar.
      2. o prepreg em uma sequência de empilhamento contendo 0 ° e 90 ° para evitar a divisão de pilha. Por exemplo, empilhe em [0 ₃ / 90 ₃] _s.
   2. Tecido tipo tela
      1. preparar o tecido de carbono tecida e tipo filme resina de epóxi. Se usando um prepreg, ignore os passos 1.1.2.1 para 1.1.2.6.
      2. Limpar o tecido com 99,5% de acetona ou outro solvente para desoxidação. Tome cuidado ao manusear o tecido após a limpeza para evitar contaminação. Coloque o tecido sobre uma toalhita de limpeza de superfície ou fiapos.
      3. Remover o solvente por secagem sob condições ambientais durante 10 min.
      4. Peel off o filme backup da resina epóxi e anexar 1 camada de epóxi tipo filme de 1 camada de tecido de carbono.
      5. Coloque o tecido de carbono epóxi-anexado um prato quente que é pre-aquecido a 70 ° C durante 10 s para pre-impregnação de.
      6. Legal o prepreg preparado em condições ambientais por 10 min e retire o outro filme backup.
      7. Pilha do tecido com a sequência de empilhamento desejado; por exemplo, empilhe em [0] ₃.
   3. Feltro não tecido
      1. preparar o feltro não tecido.
      2. Limpar o feltro com 99,5% de acetona ou outro solvente para desoxidação. Tome cuidado ao manusear o feltro após a limpeza para evitar contaminação. Coloque o feltro sobre uma toalhita de limpeza de superfície ou fiapos.
      3. Peel off o filme backup da resina epóxi e anexar 3 camadas de epóxi tipo filme de 1 camada de carbono sentiu em cada lado.
      4. Lugar do carbono epóxi-anexado sentiu um prato quente que é pre-aquecido a 70 ° C durante 10 s para pre-impregnação de.
      5. Legal o prepreg preparado na condição ambiente por 10 min e retire o outro filme backup.
2. Preparação da camada macia
   Nota: para a camada macia, um fluoropolímero como politetrafluoretileno (PTFE) ou fluorados etileno propileno (FEP), uma poliolefina como polietileno ou polipropileno, ou um borracha sintética, tais como a borracha de silicone ou um fluoroelastómeros pode ser usada. Neste protocolo, filme FEP é adotado, e seu rendimento força cai drasticamente mais de 120 ° c. 25 µm de espessura FEP é apropriado para fibra unidirecional e compósitos de feltro não tecido, considerando um FEP de 100 µm de espessura mais grosso é adequado para tecidos tipo de compósitos ¹⁰.
   1. Cleanse a suave camada com 99,5% de acetona. Manuseie com cuidado para evitar rugas e pinholes.
   2. Limpe fora a acetona na macia camada com toalhitas de fiapos. Certifique-se de que não há nenhum contaminador na camada macia porque ele vai ser transferido para o compósito durante o processo de cura. Sempre a suave camada de poeira e partículas pequenas, porque podem danificar não só a composição, mas também o molde de compactação.

2. Fabricação de compósito

1. instalação do molde de compressão
   1. preparar um molde de compressão com uma cavidade de tamanho 120 mm × 120 mm.
   2. Aplicar a liberação do molde do molde de compressão. Simplesmente colar ou pulverizar a liberação de molde ao molde e limpe com toalhetes fiapos até apenas uma fina camada de restos de liberação do molde.
   3. Corte o laminado composto preparado para um tamanho de 118 mm × 118 mm.
   4. Coloque 1 camada de película de FEP 25 µm de espessura sobre o molde inferior.
   5. Colocar o laminado composto no filme FEP e coloque outro filme FEP sobre o laminado.
   6. Achatar a camada macia e remover as bolhas de ar que estão aprisionadas entre a camada macia e composto laminado.
   7. Fechar o molde para a moldagem por compressão.
2. Moldagem por compressão
   1. aqueça a imprensa quente a 150 ° C.
      Nota: A temperatura da amostra dentro do molde é de 140 ° C nesta condição. O uso de uma temperatura mais baixa, também é possível se um elastômero ou poliolefina é adotada para a camada macia. Considere tanto a temperatura de polimerização da resina composta e a temperatura de amolecimento da camada macia para determinar a temperatura de cura.
   2. Colocar o molde na imprensa quente.
   3. Aplique pressão usando a imprensa quente; o cronograma cura e pressão dependem do tipo de composto.
      1. Para um composto de fibras unidirecionais, aplicar uma pressão constante de 20 MPa para 30 min; nenhum processo adicional é necessário.
      2. Para um composto do tipo de tecido, aplique 20 MPa. Depois de 4 min e 8 min, liberar a pressão aplicada a zero e aplique imediatamente 20 MPa novamente.
         Nota: Este processo é chamado de purga, e sua finalidade é remover resina excessiva e bolhas de ar aprisionado. O número de etapas de purga pode ser aumentado dependendo do tamanho do compósito; compósitos de tamanho maior exigem mais de purga.
         1. No entanto, depois que a viscosidade da resina começa a aumentar, não purge. Cura por 30 min no total.
      3. Para um não-tecido feltro composto tipo, aplicar 3 MPa para 30 min. cuidado de superação da pressão, o que resultará em espaços vazios e defeitos no produto final. Aumentar a pressão lentamente para evitar pressão superação.
   4. Cool do molde de compressão na imprensa quente sem liberar a pressão abaixo de 120 ° C, qual é a temperatura de transição vítrea do compósito fabricada.
   5. Liberar a pressão e retire o molde de compressão a quente imprensa.
   6. Demold o produto final do molde compressão.

Results

Os espécimes fabricados são observados usando microscopia eletrônica de varredura (MEV) (Figura 1). Porque a camada de resina-rica que cobre a parte superior das fibras é apenas alguns micrômetros de espesso, uma imagem microscópica óptica observada na parte superior da amostra não é apropriada. Uma imagem SEM observada pela inclinação da amostra por 5° fornece uma imagem mais representativa. Em comparação com os compósitos fabricados por moldagem por compres...

Discussion

O método suave camada oferece vantagens significativas em comparação com os métodos convencionais e com um menor custo de fabricação. Todos os três tipos de compósitos fabricados pelo método suave camada mostram características únicas em termos de propriedades elétricas, propriedades mecânicas, permeabilidade de gás e propriedades de adesão.

Para a medição da propriedade elétrica, utilizou-se um método de sonda de quatro pontos. ASR foi medido 5 vezes e o valor médio foi tomado como um valor r...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Pré-impregnado unidirecional de carbono / epóxi	SK Chemicals	USN020	Usado para fabricar composto de carbono unidirecional
Tecido de carbono de tecelagem plana / pré-impregnado epóxi	SK Chemicals	WSN 1k	Usado para fabricar tecido composto de carbono
Tecido de carbono de tecelagem simples	SK Chemicals	C-112	Usado para fabricar tecido composto de carbono
Feltro de carbono não tecido	Newell	Feltro de grafite 3 mm	Usado para fabricar composto de carbono
feltro Tipo de filme Resina epóxi	SK Chemicals	K51	Usado como matriz do composto
Acetona 99,5%	Samchun	67-64-1	Usado para limpar a fibra de carbono e as camadas macias
Liberação do molde	ShinEtsu	KF-96	Usado para revestir o filme de liberação do molde
	Airtech	A4000V	Usado como um
Molde de compressão	N / A	N / A	Usinado em laboratório. Material: NAK80
Prensa a quente	Hydrotek 100	N/A	Usado para aplicar pressão e calor
Microscópio eletrônico de varredura	FEI Compnay	Magellan 400	Usado para investigar a superfície do compósito