Экспериментальное осуществление нового метода составных изготовление: обнажая голые волокна на поверхности композитного методом мягкого слоя

Summary

Протокол подвергать голые волокна на поверхности композитного, устраняя смолы богатые области представлен. Волокна подвергаются во время Изготовление композиционных материалов, не на пост обработки поверхности. Подвергаются углеродных композитов обладают высокой электрической проводимостью в направлении через толщины и высокие механические свойства.

Abstract

Биполярный пластина является ключевым компонентом в протонного обмена мембраны топливных элементов (PEMFCs) и ванадия редокс потока батареи (VRFBs). Это многофункциональный компонент, который должен иметь высокой электрической проводимостью, высокие механические свойства и высокую производительность.

В этой связи составной углеродного волокна/эпоксидная смола может быть идеальным материалом для замены обычных графит биполярного плита, которая часто приводит к катастрофическому разрушению всей системы из-за присущего хрупкости. Хотя углерода/эпоксидного композита имеет высокие механические свойства и просты в изготовлении, электрическая проводимость в направлении через толщины бедных из-за слой смолы-богатые люди, который образует на своей поверхности. Таким образом покрытие расширенного графита был принят для решения проблемы электрической проводимости. Однако расширенного графита покрытие не только увеличивает издержки производства, но также имеет плохой механические свойства.

В этом исследовании демонстрируется метод подвергать волокна на поверхности составных. Есть в настоящее время многие методы, которые можно предоставить волокон, обработка поверхности после изготовления композита. Этот новый метод, однако, не требует обработки поверхности потому что волокна подвергаются во время изготовления композита. Подвергая голой волокна углерода на поверхности, электропроводность и механическую прочность композита резко возросло.

Introduction

Биполярный пластина является многофункциональным ключевым компонентом систем преобразования энергии и систем хранения энергии таких как топливные элементы и батареи. Основные функциональные требования Биполярные пластины являются следующие: высокая электропроводность в направлении через толщины для уменьшения омические потери, высокие механические свойства выдерживать давление высокое уплотнение и внешнего воздействия и высокого производительность для массового производства.

По сравнению с графитом и металлов, которые традиционно были приняты в качестве материалов для биполярного плиты, углеродное волокно/эпоксидная композитов имеют выше удельная прочность и жесткость, которая указывает, что вес системы может быть значительно уменьшена Замена обычных биполярного плитных материалов с композиты¹. Однако обычные углерода/эпоксидная композиты у бедных электрической проводимости в направлении через толщины, что приводит к большой ареал удельное сопротивление (ASR), из-за слой смолы богатые, который образуется на поверхности составного. Изоляционный слой смолы богатые предотвращает прямой контакт между проводящих углеродных волокон и смежными компонентами, такими как другой Биполярные пластины, газовой диффузии слой (GDL), и углерода чувствовал электрода (ДОВСЕ).

Многие исследования были проведены для разрешения высокая ASR из-за слоя смолы-богатые люди. Первый подход был методы обработки поверхности выборочно удалить слой смолы-богатые люди. Например чтобы удалить смолы на поверхности²предпринята попытка механического истирания. Однако углеродные волокна были также повреждены, что привело к бедным ASR. Плазмы лечения^3,4 и микроволновой лечения методы^5,6 были также разработаны во избежание повреждение волокон, но они привели к низкой производительности и единообразия. Второй подход, проводящий слой покрытия методы, включает в себя расширенный графит, покрытие^7,8. Этот метод успешно сократить ASR и рассматривалось как стандартный метод для производства композитных биполярного пластины. Однако он является дорогостоящим и имеет долговечность и расслаивания проблемы из-за низкой механической прочностью.

В этом исследовании продемонстрировал «метод мягкого слоя», роман производства метод, который может предоставлять волокна углерода на поверхности составных Биполярные пластины. Основная цель данного метода является получить низкий ASR с низкой стоимости производства. Мягкий слой метод принимает тонкий мягкий слой как разделительная плёнка полимера между сжатия плесени и биполярные пластины. После отверждения в сжатия плесени и отсоединение мягкого слоя, сфабрикованные биполярного пластины отображает углеродных волокон, выставленные на поверхности без каких-либо после поверхностной обработки. Этот метод не только снизился ASR, но также значительно увеличение механических свойств и решена проблема проницаемости газа. Этот метод может применяться для многих других целей: развитие электропроводных пластины, производство тонкой составной и изготовления клеевого соединения без обработки поверхности.

Protocol

1. Подготовка материала

1. Подготовка композитного материала
   Примечание: предостережение, пожалуйста обратитесь все соответствующие листы данных безопасности материалов (MSDS) перед использованием. Некоторые из химических веществ, используемых в этих методов могут быть токсичными и канцерогенными. Наноматериалы, могут иметь дополнительную опасность, по сравнению с их коллегами оптом. Пожалуйста, используйте все практики безопасности при выполнении эксперимента, включая использование инженерного управления (Зонта, перчаточный ящик) и средства индивидуальной защиты (очки, перчатки, лаборатории пальто, полнометражные штаны, закрыты носок туфли).
   Примечание: В зависимости от приложения, тип армирующие волокна могут быть один или комбинацию из следующих: однонаправленный волокна, ткани, нетканые чувствовал, рубленого волокна.
   1. Однонаправленных волокон типа
      1. использовать предварительно пропитанных композитного материала (препрег), как это наиболее удобно пользоваться.
      2. Стек препрег в последовательности наложения, содержащий 0 ° и 90 °, чтобы избежать разделения. Например, укладывают в [0 ₃ / 90 ₃] _ф.
   2. Переплетения ткань типа
      1. подготовить Ткани углеродные ткани и пленочных эпоксидной смолы. При использовании препрег, пропустите шаги 1.1.2.1 для 1.1.2.6.
      2. Очистить ткань с 99,5% ацетона или другого растворителя для обезжиривания. Соблюдайте осторожность при обработке ткани после очистки, чтобы избежать загрязнения. Положите ткань на чистой поверхности или ворса протрите.
      3. Удаление растворителя сушки при температуре окружающей среды 10 мин
      4. Кожуру от резервного копирования фильм эпоксидной смолы и приложите 1 слой эпоксидной тип пленки для 1 слой ткани углерода.
      5. Место эпоксидно придает углеродные ткани на горячей плите, предварительно нагретой до 70 ° C для 10 s для предварительной пропитки.
      6. Прохладно подготовленный препрег в условиях окружающей среды для 10 мин и шелушиться других резервных копий фильма.
      7. Стек ткань с желаемой последовательности штабелирование; например, укладывают в [0] ₃.
   3. Non-woven чувствовал
      1. подготовку мнению нетканый.
      2. Очистить войлока с 99,5% ацетона или другого растворителя для обезжиривания. Соблюдайте осторожность при обработке войлока после чистки, чтобы избежать загрязнения. Место чувствовал на чистой поверхности или ворса протрите.
      3. Кожуру от резервного копирования фильм эпоксидной смолы и придавать 1 слой углерода, почувствовал на каждой стороне 3 plies пленочных эпоксидной.
      4. Место эпоксидно придает углерода чувствовал на горячей плите, предварительно нагретой до 70 ° C для 10 s для предварительной пропитки.
      5. Прохладно подготовленный препрег условиях окружающей среды 10 мин и шелушиться других резервных копий фильма.
2. Подготовка мягкого слоя
   Примечание: для мягкого слоя, фторопластовые как политетрафторэтилен (ПТФЭ) или фторированные этилен-пропиленовый (FEP), полиолефиновые как полиэтилен или полипропилен, или синтетического каучука, кремнийорганической резины или фторэластомер может быть использован. В настоящем Протоколе принял FEP фильм, и его выход силы капли резко свыше 120 ° C.-толщиной 25 мкм FEP подходит для однонаправленных волокон и нетканые чувствовал композитов, тогда как толще-толщиной 100 мкм FEP подходит для ткани Тип композиты ¹⁰.
   1. Очистить мягкой слой с 99,5% ацетона. Обращаться с осторожностью, чтобы избежать морщин и проколов.
   Слой
   2. очистки от ацетона на мягкой безворсовой салфетки. Убедитесь, что нет никаких загрязнений на мягкий слой, потому, что он будет передан композита во время процесса сушки. Всегда держите мягкий слой от пыли и мелких частиц, потому что они могут повредить не только композитный, но и сжатия плесень.

2. Композитный изготовление

1. установки сжатия формы
   1. подготовить сжатия плесень с полость размер 120 × 120 мм.
   2. Применять релиз плесень плесень сжатия. Просто вставьте или спрей релиз плесень плесень и протереть безворсовой салфетки до лишь тонкий слой остается релиз плесень.
   3. Вырежьте подготовленный композитной размер 118 мм × 118 мм.
   4. Место 1 слой 25 µm толщиной FEP фильма на нижней плесень.
   5. Место композитного ламината на пленке FEP и место другой фильм FEP на ламинат.
   6. Свести мягкий слой и удалить пузырьки воздуха, которые находятся в ловушке между мягкий слой и композитной.
   7. Закройте формы для сжатия формования.
2. Литье сжатия
   1. тепла горячего пресса до 150 ° C.
      Примечание: Температура образца внутри плесень-140 ° C в этом состоянии. Использование более низкой температуры возможна, если эластомер или полиолефиновые принимается для мягкого слоя. Рассмотрим, как температура вулканизации композитных и температуры размягчения мягкого слоя, чтобы определить температура вулканизации.
   2. Место плесень в горячий пресс.
   3. Применить давление с помощью горячего прессования; отверждения расписание и давления зависит от составного типа.
      1. Для составного однонаправленных волокон, применить постоянным давлением 20 МПа в течение 30 мин; дополнительный процесс не требуется.
      2. Для составного типа ткани применяются 20 МПа. После 4 мин и 8 мин, отпустите приложенное давление до нуля и сразу же снова применить 20 МПа.
         Примечание: Этот процесс называется удаление, и его целью является удалить чрезмерного смолы и зависшие воздушных пузырьков. Количество шагов очистки может быть увеличен в зависимости от размера составного; Размер композиционные материалы требуют более продувки.
         1. Однако, после того, как вязкость смолы начинает увеличить, не очистить. Cure для в общей сложности 30 мин.
      3. Нетканый считали составного типа, применяются 3 МПа для 30 min. Остерегайтесь перепадами давления, который приведет к пористости и дефекты в конечный продукт. Повысить давление медленно, чтобы избежать превышения давления.
   4. Cool сжатия плесень в горячей печати не отпуская давления ниже 120 ° C, которая является температура стеклования сфабрикованные композита.
   5. Давление и удалить плесень сжатия из горячего прессования.
   6. Demold конечного продукта от сжатия молд.

Results

Изготовлены образцы наблюдаются с помощью растровая электронная микроскопия (SEM) (рис. 1). Потому что слой смолы богатые, которая закрывает всю верхнюю часть волокон толщиной лишь несколько микрометров, оптический микроскопических изображений, наблюдается в верхней части образца не подходит. SEM изображение отмечено, наклоняя образца на 5° обеспечивает более представительное изображение. По сравнению с композитов, изготовленный методом обычного сжатия формов...

Discussion

Мягкий слой метод обеспечивает значительные преимущества по сравнению с традиционными методами и с более низкой стоимостью производства. Все три типа композитов, изготовленных методом мягкого слоя показывают уникальные характеристики с точки зрения электрических свойств, механические свойства, газопроницаемость и адгезионные свойства.

Для измерения электрических свойств был использован метод четырех пунктов зонд. ASR был измерен 5 раз и среднее значение было принято в качестве представителя зн...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Однонаправленный углеродный/эпоксидный препрег	SK Chemicals	USN020	Используется для изготовления однонаправленного углеродного композита
Однотонное переплетение углеродной ткани/эпоксидного препрега	SK Chemicals	WSN 1k	Используется для изготовления ткани углеродный композит
Простое переплетение углеродной ткани	SK Chemicals	C-112	Используется для изготовления ткани углеродный композит
Нетканый углеродный войлок	Newell	Графитовый войлок 3 мм	Используется для изготовления войлока из углеродного композита
Пленка типа эпоксидная смола	SK Chemicals	K51	Используется в качестве матрицы композита
Ацетон 99,5%	Samchun	67-64-1	Используется для очистки углеродного волокна и мягких слоев
Пресс-форма Разделитель	ShinEtsu	KF-96	Используется для покрытия формы
Разделительная пленка	Airtech	A4000V	Используется в качестве мягкий слой
Пресс-форма	Н/Д	Н/Д	Обработана в лаборатории. Материал: NAK80
Горячий пресс	Hydrotek 100	N/A	Используется для применения давления и тепла
Сканирующий электронный микроскоп	FEI Compnay	Magellan 400	Используется для исследования поверхности композита