Name: Implementação experimental de um novo método de fabricação de compósitos: expondo desencapadas fibras na superfície composta pelo método suave camada (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-10-06T12:30:00.000+00:00
Duration: 6 min 26 s
Description: Aprenda a fabricar compósitos reforçados com fibras de carbono expostas na superfície sem tratamentos pós-fabricação. Este método melhora a condutividade elétrica e as propriedades mecânicas com alta produtividade.

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Esta pesquisa foi apoiada pelo clima mudança Research Hub do KAIST (conceder não. N11160012), levando estrangeiros Instituto recrutamento programa de pesquisa por meio da Fundação Nacional de pesquisa da Coreia financiada pelo Ministério da ciência, TIC e futuro planejamento (grant n º 2011-0030065), o líder humano recurso programa de treinamento de Indústria de Neo regional através da nacional Research Foundation de Coreia (NRF) financiado pelo Ministério da ciência, TIC e planejamento futuro (conceder n. NRF-2016H1D5A1910603). Seu apoio é muito apreciado.

1. preparação de material <ol><li>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.
	<ol><li>Tipo unidirecional da fibra <ol><li>usar pré-impregnados de material compósito (prepreg), como é o mais conveniente usar.</li>
			<li>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.</li>
		</ol></li> <li>Tecido tipo tela <ol><li>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.</li>
			<li>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.</li>
			<li>Remover o solvente por secagem sob condições ambientais durante 10 min.</li>
			<li>Peel off o filme backup da resina epóxi e anexar 1 camada de epóxi tipo filme de 1 camada de tecido de carbono.</li>
			<li>Coloque o tecido de carbono epóxi-anexado um prato quente que é pre-aquecido a 70 ° C durante 10 s para pre-impregnação de.</li>
			<li>Legal o prepreg preparado em condições ambientais por 10 min e retire o outro filme backup.</li>
			<li>Pilha do tecido com a sequência de empilhamento desejado; por exemplo, empilhe em [0] 3.</li>
		</ol></li> <li>Feltro não tecido <ol><li>preparar o feltro não tecido.</li>
			<li>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.</li>
			<li>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.</li>
			<li>Lugar do carbono epóxi-anexado sentiu um prato quente que é pre-aquecido a 70 ° C durante 10 s para pre-impregnação de.</li>
			<li>Legal o prepreg preparado na condição ambiente por 10 min e retire o outro filme backup.</li>
		</ol></li></ol></li> <li>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.
	<ol><li>Cleanse a suave camada com 99,5% de acetona. Manuseie com cuidado para evitar rugas e pinholes.</li>
		<li>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.</li>
	</ol></li></ol> 2. Fabricação de compósito <ol><li>instalação do molde de compressão <ol><li>preparar um molde de compressão com uma cavidade de tamanho 120 mm × 120 mm.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Corte o laminado composto preparado para um tamanho de 118 mm × 118 mm.</li>
		<li>Coloque 1 camada de película de FEP 25 µm de espessura sobre o molde inferior.</li>
		<li>Colocar o laminado composto no filme FEP e coloque outro filme FEP sobre o laminado.</li>
		<li>Achatar a camada macia e remover as bolhas de ar que estão aprisionadas entre a camada macia e composto laminado.</li>
		<li>Fechar o molde para a moldagem por compressão.</li>
	</ol></li> <li>Moldagem por compressão <ol><li>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.</li>
		<li>Colocar o molde na imprensa quente.</li>
		<li>Aplique pressão usando a imprensa quente; o cronograma cura e pressão dependem do tipo de composto.
		<ol><li>Para um composto de fibras unidirecionais, aplicar uma pressão constante de 20 MPa para 30 min; nenhum processo adicional é necessário.</li>
			<li>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.
			<ol><li>No entanto, depois que a viscosidade da resina começa a aumentar, não purge. Cura por 30 min no total.</li>
			</ol></li> <li>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.</li>
		</ol></li> <li>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.</li>
		<li>Liberar a pressão e retire o molde de compressão a quente imprensa.</li>
		<li>Demold o produto final do molde compressão.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Hwang, I. U., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775308012391">Bipolar plate made of carbon fiber epoxy composite for polymer electrolyte membrane fuel cells.</a> J Power Sources. 184 (1), 90-94 (2008).</li>
<li>Avasarala, B., Haldar, P. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S037877530802185X">Effect of surface roughness of composite bipolar plates on the contact resistance of a proton exchange membrane fuel cell.</a> J Power Sources. 188 (1), 225-229 (2009).</li>
<li>Yu, H. N., Lim, J. W., Kim, M. K., Lee, D. G. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0263822311004922">Plasma treatment of the carbon fiber bipolar plate for PEM fuel cell.</a> Compos Struct. 94 (5), 1911-1918 (2012).</li>
<li>Lim, J. W., Lee, D. G. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319912013390">Development of composite-metal hybrid bipolar plates for PEM fuel cells.</a> Int J Hydrogen Energy. 37 (17), (2012).</li>
<li>Kim, B. G., Lee, D. G. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775309017054">Electromagnetic-carbon surface treatment of composite bipolar plate for high-efficiency polymer electrolyte membrane fuel cells.</a> J Power Sources. 195 (6), 1577-1582 (2010).</li>
<li>Kim, B. G., Lim, J. W., Lee, D. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+single-type+aluminum%2Fcomposite+hybrid+bipolar+plate+with+surface+modification+for+high+efficiency+PEMFC%5BTitle%5D)+AND+%22Int+J+Hydrogen+Energy%22%5BJournal%5D)">A single-type aluminum/composite hybrid bipolar plate with surface modification for high efficiency PEMFC.</a> Int J Hydrogen Energy. 36 (4), 3087-3095 (2011).</li>
<li>Yu, H. N., Lim, J. W., Suh, J. D., Lee, D. G. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775311015230">A graphite-coated carbon fiber epoxy composite bipolar plate for polymer electrolyte membrane fuel cell.</a> J Power Sources. 196 (23), 9868-9875 (2011).</li>
<li>Kim, K. H., Kim, B. G., Lee, D. G. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0263822313005825">Development of carbon composite bipolar plate (BP) for vanadium redox flow battery (VRFB).</a> Compos Struct. 109, 253-259 (2014).</li>
<li>Lee, D., Lim, J. W., Nam, S., Choi, I., Lee, D. G. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0263822315002469">Gasket-integrated carbon/silicone elastomer composite bipolar plate for high-temperature PEMFC.</a> Compos Struct. 128, 284-290 (2015).</li>
<li>Lee, D., Lee, D. G. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0263822315011563">Electro-mechanical properties of the carbon fabric composites with fibers exposed on the surface.</a> Compos Struct. 140, 77-83 (2016).</li>
<li>Lee, D., Lim, J. W., Nam, S., Choi, I., Lee, D. G. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0263822315007321">Method for exposing carbon fibers on composite bipolar plates.</a> Compos Struct. 134, 1-9 (2015).</li>
<li>Lee, D., Lee, D. G. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775316309119">Carbon composite bipolar plate for high-temperature proton exchange membrane fuel cells (HT-PEMFCs).</a> J Power Sources. 327, 119-126 (2016).</li>
<li>Lee, D., Choe, J., Nam, S., Lim, J. W., Choi, I., Lee, D. G. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0263822316322590">Development of non-woven carbon felt composite bipolar plates using the soft layer method.</a> Compos struct. 160, 976-982 (2016).</li>
<li>Lee, D., Lim, J. W., Lee, D. G. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0263822317301769">Cathode/anode integrated composite bipolar plate for high-temperature PEMFC.</a> Compos Struct. 167, 144-151 (2017).</li>
<li>Lee, D., Oh, Y., Nam, S., Choe, J. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S026382231632685X">Adhesion Characteristics of Fiber-exposed Glass Composites.</a> Compos Struct. 165, 9-14 (2017).</li>
</ol>

Os autores não têm nada para divulgar.

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...

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 tratamento3,4 e microondas tratamento métodos5,6 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 revestimento7,8. 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.

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

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

Experimental Implementation of a New Composite Fabrication Method: Exposing Bare Fibers on the Composite Surface by the Soft Layer Method

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.

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...

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.

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

The bipolar plate is a key component in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) and vanadium redox flow batteries (VRFBs). It is a multi-functional ...

O objetivo geral deste procedimento é fabricar um compósito reforçado com fibras, com fibras expostas na superfície, sem qualquer tratamento superficial. Esta técnica pode expor fibras nuas em uma superfície de compósito sem o uso de tratamentos superficiais caros e ineficientes. A principal vantagem desta técnica é que ela melhora a condutividade elétrica e as resistências mecânicas do compósito.Essa técnica também apresenta alta produtividade. Para preparar um tecido de fibra de carbono unidirecional pré-impregnado com epóxi, empilhe quadrados de pré-impregnado com uma fração volumétrica de fibra de 50 a 60% em uma sequência que inclua orientações de zero grau e 90 graus, a fim de evitar a fissuração do laminado. Para preparar cada quadrado de tecido de fibra de carbono em trama plana pré-impregnado, primeiramente limpe o tecido com acetona ou etanol.Coloque o tecido sobre uma superfície limpa ou sobre uma toalha de laboratório sem fiapos e deixe a acetona evaporar em condições ambientes. Remova um dos revestimentos de uma folha de resina epóxi do tipo filme com temperatura de cura de 125 graus Celsius. Aplique uma única folha de filme de resina epóxi ao tecido de carbono limpo.C

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