Summary
Un protocole d’exposer nus fibres sur la surface composite en éliminant les zones riches de résine est présenté. Les fibres sont exposés au cours de la fabrication des composites, non par le traitement de surface de post. Les composites de carbone exposés présentent une conductivité électrique élevée dans le sens de l’épaisseur et les propriétés mécaniques élevées.
Abstract
La plaque bipolaire est un élément clé dans les piles à combustible proton exchange membrane (PEMFC) et vanadium redox flux batteries (VRFBs). C’est un élément multifonctionnel qui devrait avoir une conductivité électrique élevée, caractéristiques mécaniques élevées et une productivité élevée.
À cet égard, un composite de résine de fibre de carbone/époxy peut être un matériau idéal pour remplacer la plaque bipolaire classique de graphite, qui conduit souvent à l’échec catastrophique de tout le système à cause de sa fragilité inhérente. Bien que le composite carbone/époxy a des propriétés mécaniques élevées et est facile à fabriquer, la conductivité électrique dans le sens de l’épaisseur est faible en raison de la couche riche en résine qui se forme à sa surface. Par conséquent, une couche de graphite expansé a été adoptée pour résoudre le problème de la conductivité électrique. Toutefois, la couche de graphite expansé non seulement augmente les coûts de fabrication mais a également des propriétés mécaniques pauvres.
Dans cette étude, une méthode pour exposer des fibres sur la surface composite est démontrée. Il y a actuellement beaucoup de méthodes qui peut exposer les fibres par traitement de surface après la fabrication du composite. Cette nouvelle méthode, cependant, n’exige pas le traitement de surface parce que les fibres sont exposés au cours de la fabrication du composite. En exposant les fibres de carbone nus sur la surface, la conductivité électrique et la résistance mécanique du composite sont considérablement augmentés.
Introduction
La plaque bipolaire est un élément clé multi-fonctionnel de systèmes de conversion d’énergie et systèmes de stockage d’énergie tels que les piles à combustible et les batteries. Les principales exigences fonctionnelles de la plaque bipolaire sont les suivantes : haute conductivité électrique dans le sens de l’épaisseur pour réduire la perte ohmique, hautes propriétés mécaniques pour résister à la pression de compactage élevé et les impacts externes et haute Productivity pour la production de masse.
Comparé avec le graphite et les métaux qui ont été adoptés conventionnellement comme matériaux pour la plaque bipolaire, composites de fibre de carbone/époxy ont une résistance spécifique plus élevée et rigidité, ce qui indique que le poids du système peut être considérablement réduit en remplacer les matériaux conventionnels plaque bipolaire avec composites1. Cependant, les composites carbone/époxy classiques ont mauvaise conductivité électrique dans le sens de l’épaisseur, qui se traduit par une grande résistance spécifique areal (ASR), en raison de la couche riche en résine qui se forme sur la surface composite. La couche riche en résine isolante empêche le contact direct entre les fibres de carbone conductrices et les éléments adjacents, comme une autre plaque bipolaire, couche de diffusion de gaz (GDL), et ressenti de carbone électrode (CFE).
De nombreuses études ont été menées pour résoudre l’ASR élevé en raison de la couche riche en résine. La première approche était des méthodes de traitement de surface pour éliminer sélectivement la couche riche en résine. Par exemple, l’abrasion mécanique a été tentée d’enlever la résine sur la surface2. Cependant, les fibres de carbone ont été également endommagés, qui a entraîné une mauvaise ASR. Plasma traitement3,4 et micro-ondes traitement méthodes5,6 ont également été développés pour éviter d’endommager les fibres, mais elles ont donné lieu à une uniformité et une faible productivité. La deuxième approche, méthodes de couche conductrice de revêtement, comprend graphite expansé enduit7,8. Cette méthode réduit le ASR et a été considérée comme une méthode normalisée pour la fabrication d’une plaque composite bipolaire avec succès. Toutefois, il est coûteux et a des problèmes de durabilité et de délaminage en raison de la faible résistance mécanique.
Dans cette étude, la « méthode de la couche molle », un roman qui peut exposer les fibres de carbone sur la surface de la plaque bipolaire composite, procédé de fabrication est démontrée. L’objectif principal de cette méthode est d’obtenir un ASR faible avec un coût de fabrication faible. La méthode couche molle adopte une mince couche molle comme une pellicule polymère entre le moule de compression et de la plaque bipolaire. Après durcissement dans le moule de compression et le détachement de la couche molle, la plaque bipolaire fabriquée affiche exposées sur la surface sans traitement de surface après des fibres de carbone. Cette méthode non seulement diminué l’ASR mais aussi sensiblement augmente les propriétés mécaniques et résolu la question de la perméabilité du gaz. Cette méthode peut être appliquée à des fins multiples : le développement d’une plaque conductrice, la fabrication d’un composite mince et la fabrication d’un adhésif mixte sans traitement de surface.
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Protocol
1. préparation de matériel
- préparation du matériau composite
Remarque : attention, s’il vous plaît consulter toutes les fiches signalétiques (FS) avant utilisation. Plusieurs des produits chimiques utilisés dans ces méthodes peuvent être toxiques et cancérigènes. Nanomatériaux peut-être avoir des dangers additionnels par rapport à leurs homologues en vrac. Copiez toutes les pratiques de sécurité qui s’imposent lorsque vous effectuez une expérience, y compris l’utilisation des contrôles d’ingénierie (hotte aspirante, boîte à gants) et des équipements de protection individuelle (lunettes, gants, blouse, pantalons longs, chaussures fermées).
Remarque : Selon l’application, le type de renfort fibre peut être une ou plusieurs des éléments suivants : fibre unidirectionnelle, tissu, feutre non tissé, fibres hachées.- Type
- de la fibre unidirectionnelle
- utiliser pré-imprégné matériau composite (prepreg), comme c’est le plus pratique à utiliser.
- La pile le préimprégné dans une séquence d’empilement contenant 0 ° et 90 ° pour éviter le dédoublement. Par exemple, pile dans [0 3 / 90 3] s.
- Tissé de tissu type
- Prepare le tissu de carbone tissé et type film de résine époxy. Si vous utilisez un prepreg, ignorez les étapes 1.1.2.1 à 1.1.2.6.
- Nettoyer le tissu avec l’acétone à 99,5 % ou un autre solvant de dégraissage. Prendre des précautions lorsque vous manipulez le tissu après le nettoyage pour éviter toute contamination. Placer le tissu sur un chiffon propre surface ou pelucheux.
- Éliminer le solvant par séchage dans des conditions ambiantes pendant 10 min.
- Peel off du film de sauvegarde de la résine époxy et attacher 1 pli d’époxy de type film à 1 pli de tissu carbone.
- Placer le tissu de carbone époxy-attaché sur une plaque chauffante qui est préchauffée à 70 ° C pendant 10 s pour pré imprégnation.
- Cool le préimprégné préparé dans des conditions ambiantes pendant 10 min et enlever la sauvegarde autre pellicule.
- Le tissu avec la séquence souhaitée d’empilement de la pile, pile, par exemple dans [0] 3.
- Feutre non-tissé
- préparer le feutre non-tissé.
- Nettoyer le feutre avec l’acétone à 99,5 % ou un autre solvant de dégraissage. Prendre des précautions lorsque vous manipulez le feutre après le nettoyage pour éviter toute contamination. Placez le feutre sur un chiffon propre surface ou pelucheux.
- Peel off du film de sauvegarde de la résine époxy et joindre 3 plis d’époxy de type film à 1 plis de carbone estimé de chaque côté.
- Place du carbone époxy-joint feutre sur une plaque chauffante qui est préchauffée à 70 ° C pendant 10 s pour pré imprégnation.
- Cool le préimprégné préparé à la température ambiante pendant 10 min et enlever la sauvegarde autre pellicule.
- Type
- Préparation de la couche molle
Remarque : pour la couche molle, un polymère fluoré comme polytétrafluoroéthylène (PTFE) ou éthylène propylène fluoré (FEP), une polyoléfine comme le polyéthylène ou de polypropylène, ou un caoutchouc synthétique comme le caoutchouc de silicone ou un fluoroélastomère peut être utilisé. Dans ce protocole, film de FEP est adoptée, et son rendement résistance gouttes considérablement plus de 120 ° c. 25-µm d’épaisseur FEP convient aux fibres unidirectionnelles et composites de feutre non tissé, qu’un FEP de 100-µm d’épaisseur plus épaisse convient pour tissu composites de type 10.- Nettoyer la couche molle avec de l’acétone de 99,5 %. Manipuler avec précaution pour éviter les rides et les trous d’épingle. Couche
- essuyer au large de l’acétone sur le soft avec des chiffons non pelucheux. S’assurer qu’il n’y a aucun contaminant sur la couche molle car il sera transféré à la composite pendant le processus de durcissement. Gardez toujours la douce couche de poussière et de petites particules, car ceux-ci peuvent endommager non seulement le composite, mais aussi le moule de compression.
2. Fabrication composite
- Installation du moule compression
- préparer un moule de compression avec une cavité de taille 120 mm x 120 mm.
- Faire le démoulage du moule de compression. Collez simplement ou vaporiser le démoulage au moule et essuyer avec des chiffons non pelucheux jusqu'à ce que seule une mince couche de moisissure libération reste.
- Couper le stratifié composite préparé à une taille de 118 mm × 118 mm.
- Place 1 pli de 25 films de FEP µm d’épaisseur sur le moule inférieur.
- Placer le stratifié sur le film de la FEP et un autre film de FEP sur le stratifié.
- Aplatir la couche molle et enlever les bulles d’air qui sont pris au piège entre la couche molle et stratifié.
- Fermer le moule pour le moulage par compression.
- De moulage par compression
- chauffer la presse à chaud à 150 ° C.
Remarque : La température de l’échantillon à l’intérieur du moule est de 140 ° C, dans cet État. L’utilisation d’une température plus basse est également possible si un élastomère ou polyoléfine est adopté pour la couche molle. Tenir compte aussi bien la température de durcissement du composite et la température de ramollissement de la couche molle pour déterminer la température de polymérisation. - Placer le moule dans la presse à chaud. Exercez une pression
- à l’aide de la presse à chaud ; le durcissement annexe et pression dépendent du type de composite.
- Pour un composite de fibres unidirectionnelles, appliquer une pression constante de 20 MPa pendant 30 min ; aucun processus supplémentaire n’est nécessaire.
- Pour un composite de type de tissu, appliquez 20 MPa. Après 4 min et 8 min, relâchez la pression appliquée à zéro et immédiatement appliquer de nouveau 20 MPa.
Remarque : Ce processus est appelé la purge, et son but est d’enlever résine excessive et bulles d’air piégées. Le nombre d’étapes de purge peut être augmenté selon la taille du composite ; composites de plus grande taille exigent plus de purge.- Cependant, après que la viscosité de la résine commence à augmenter, ne pas purger. Remède pour 30 min au total.
- Pour un non-tissé senti composite type, appliquez 3 MPa pour 30 min. Méfiez-vous de dépassement de la pression, qui se traduira par des vides et des défauts dans le produit final. Augmenter la pression lentement pour éviter les dépassements de pression.
- Refroidir le moule de compression dans la presse à chaud sans relâcher la pression en dessous de 120 ° C, ce qui est la température de transition vitreuse du composite fabriqué.
- Relâcher la pression et retirer le moule de compression de la presse à chaud.
- Demold le produit final du moule de compression.
- chauffer la presse à chaud à 150 ° C.
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Representative Results
Les spécimens préfabriqués sont observés à l’aide de la microscopie électronique à balayage (SEM) (Figure 1). Parce que la couche riche en résine qui couvre le haut des fibres est de seulement quelques micromètres d’épaisseur, une optique image microscopique observée dans la partie supérieure de l’échantillon n’est pas appropriée. Une image de SEM observée en inclinant le spécimen de 5° fournit une image plus représentative. Par rapport aux composites fabriqués par moulage compression classiques, qui a sa surface recouverte de résine, fibres nues sont exposés sans défauts quand les composites sont fabriqués par la méthode de la couche molle. La méthode couche molle s’applique à la composite carbone unidirectionnel et composite de tissu de carbone composite carbone estimé.
Figure 1 : images de SEM du spécimen fabriqué. (un) valeur Unidirectional fibre composite avec la méthode conventionnelle11; (b), à la valeur Unidirectional fibre composite avec couche molle méthode11; composite de tissu (c), tissé avec la méthode conventionnelle12; composite de tissu (d), tissé avec couche molle méthode12; (e), feutre non-tissé composite avec la méthode conventionnelle de13; (f), Non-woven senti composite avec couche molle méthode13. Toutes les images référencées ont été réimprimées avec la permission des éditeurs originaux. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : Performance de la plaque bipolaire composite. Ici, la valeur moyenne a été considérée comme une valeur représentative, tandis que les valeurs maximales et minimales ont été utilisées pour les barres d’erreur. (a) la conductivité électrique dans le sens de l’épaisseur, zone de résistance spécifique (ASR) est indiquée ; (b) résistance à la traction. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
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Discussion
La méthode douce couche fournit des avantages significatifs par rapport aux méthodes conventionnelles et avec un moindre coût de fabrication. Les trois types de composites fabriqués par la méthode de la couche molle présentent des caractéristiques uniques en ce qui concerne les propriétés électriques, propriétés mécaniques, perméabilité aux gaz et propriétés d’adhérence.
Pour mesurer les propriétés électriques, une méthode de quatre points à la sonde a été utilisée. ASR a été mesuré 5 fois et la valeur moyenne a été considérée comme une valeur représentative pour que la plaque bipolaire. Un total de cinq plaques bipolaires ont été mesurées et les valeurs maximales et minimales de ASR ont été utilisées pour la barre d’erreur.
La conductivité électrique dans le sens de l’épaisseur augmente de façon significative en raison de la fibre de carbone exposée (Figure 2 a) et répond à l’objectif DOE (Department of Energy, États-Unis) de ASR < 20 mΩ∙cm2 sous un compactage pression de MPa 1.38. Pour mesurer les propriétés mécaniques, essais de traction ont été réalisés selon la norme ASTM D3039. Neuf échantillons ont été analysés et la valeur moyenne a été considérée comme une valeur représentative tout en le maximum et valeurs minimales ont été utilisées pour la barre d’erreur.
La résistance à la traction du composite fibre de carbone unidirectionnelle ne change pas beaucoup, mais le tissu de carbone et les composites de type feutre carbone montrent une augmentation significative dans la résistance à la traction de 22 % et 15 %, respectivement, lorsque la méthode douce couche est appliquée. La résistance à la traction augmente parce que la couche molle peut appliquer une pression uniforme sur toute la surface. Pour cette raison, la perméabilité au gaz du composite est améliorée bien10,,14. En outre, les caractéristiques d’adhérence sont améliorées en raison de la surface brute générée par les fibres15.
Bien que la couche molle offre des avantages incomparables, il faut la mise en œuvre pour obtenir un résultat optimal. Tout d’abord, utilisez une couche souple sans pores ou défauts. Résine va saigner sur le trou, qui se traduira par bosses après durcissement ainsi que de la contamination aux moisissures et composite. Petites rides vont disparaître sous haute température et la pression, mais les trous ne seront pas. En second lieu, l’épaisseur de la couche molle doit être pris en compte lors de la conception d’un moule, comme dans la conception d’un moule en forme de canal pour une pile à combustible. Mesurer l’épaisseur de la couche molle après avoir appliqué une pression identique et la température sur ce qui sera utilisé pour guérir le composite ; cette épaisseur est arrêtée pour la conception du moule. Troisièmement, plusieurs épaisseurs de la couche molle sont possibles, mais le grand soin doit être pris, que lorsque le nombre de doux couches augmente, la capacité d’enlever la résine augmente. Cependant, les rides peuvent apparaître sur la surface composite. C’est particulièrement visible pour non tissés carbone senti composites.
Si les fibres ne sont pas bien exposés, il y a quatre options au choix : augmenter la pression de polymérisation ; augmenter la température de polymérisation ; Sélectionnez une autre couche molle qui a des propriétés mécaniques inférieures ou les propriétés thermiques ; soit prévoir une cavité de l’excès de résine. Parce que le mécanisme de base de la méthode douce couche réside dans la déformation de la couche molle sous la pression appliquée, modification de la pression ou la température durcissement peut améliorer les résultats.
En conclusion, la méthode douce couche apporte de nombreux avantages qui n’étaient pas possibles avec d’autres méthodes lorsqu’elle est implémentée avec des soins appropriés. Par rapport aux méthodes conventionnelles pour exposer des fibres sur la surface, la méthode de la couche molle n’exige pas n’importe quel post traitement de surface, ce qui en fait une méthode idéale pour les applications industrielles de grande surface où la productivité est un facteur crucial. Cette méthode peut encore être élargie à une méthode de fabrication de composites générales ou une méthode de traitement de surface composite générales.
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Disclosures
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Acknowledgments
Cette recherche a été financée par le climat Change Research Hub de KAIST (subvention no N11160012), le menant étranger recherche Institut programme de recrutement par le biais de la Fondation nationale de recherche de Corée financé par le ministère de la Science, les TIC et avenir (subvention n° 2011-0030065), de planification le menant Human ressources programme de formation Industrie de Neo régionale grâce à la Fondation de la recherche nationale de Corée (NRF) financé par le ministère de la Science, les TIC et la planification Future (subvention no. NRF-2016H1D5A1910603). Leur soutien est grandement apprécié.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Unidirectional carbon/epoxy prepreg | SK Chemicals | USN020 | Used to fabricate unidirectional carbon composite |
| Plain weave carbon fabric/epoxy prepreg | SK Chemicals | WSN 1k | Used to fabricate fabric carbon composite |
| Plain weave carbon fabric | SK Chemicals | C-112 | Used to fabricate fabric carbon composite |
| Non-woven carbon felt | Newell | Graphite felt 3 mm | Used to fabricated felt carbon composite |
| Film type epoxy resin | SK Chemicals | K51 | Used as a matrix of the composite |
| Acetone 99.5% | Samchun | 67-64-1 | Used to cleanse the carbon fiber and the soft layers |
| Mold release | ShinEtsu | KF-96 | Used to coat the mold |
| Release film | Airtech | A4000V | Used as a soft layer |
| Compression mold | N/A | N/A | Machined in lab. Material: NAK80 |
| Hot press | Hydrotek 100 | N/A | Used to apply pressure and heat |
| Scanning electron microscope | FEI Compnay | Magellan 400 | Used to investigate the surface of the composite |
References
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