Implementazione sperimentale di un nuovo metodo di fabbricazione compositi: esponendo fibre nude sulla superficie composita dal metodo strato morbido
Summary
Un protocollo per esporre fibre nude sulla superficie del composito eliminando la zona ricca di resina è presentato. Le fibre vengono esposti durante la fabbricazione dei compositi, non mediante il post-trattamento superficiale. I compositi di carbonio esposte presentano alta conduttività elettrica nella direzione di attraverso-spessore ed elevate proprietà meccaniche.
Abstract
La piastra bipolare è un componente chiave in protone cambio membrana le celle a combustibile (PEMFC) e le batterie di flusso redox al vanadio (VRFBs). È un componente multi-funzionale che dovrebbe avere alta conduttività elettrica, elevate proprietà meccaniche e un’elevata produttività.
A questo proposito, un composito di fibra di carbonio/resina epossidica resina può essere un materiale ideale per sostituire la piastra bipolare di grafite convenzionali, che spesso conduce al fallimento catastrofico dell’intero sistema a causa della sua intrinseca fragilità. Anche se il composito di carbonio/epossidica ha elevate caratteristiche meccaniche ed è facile da produrre, la conducibilità elettrica in direzione attraverso-spessore è scarsa a causa dello strato di resina-ricco che si forma sulla sua superficie. Di conseguenza, un rivestimento della grafite espansa è stato adottato per risolvere il problema di conduttività elettrica. Tuttavia, il rivestimento della grafite espansa non solo aumenta i costi di produzione, ma anche ha scarse proprietà meccaniche.
In questo studio, è dimostrato un metodo per esporre le fibre sulla superficie del composito. Ci sono attualmente molti metodi che possono esporre fibre da trattamento superficiale dopo la fabbricazione del composito. Questo nuovo metodo, tuttavia, non richiede trattamento superficiale perché le fibre sono esposti durante la fabbricazione del composito. Esponendo le fibre di carbonio nude sulla superficie, la conduttività elettrica e la resistenza meccanica del composito sono aumentati drasticamente.
Introduction
La piastra bipolare è un componente chiave multi-funzionale dei sistemi di conversione energetica e sistemi di stoccaggio di energia quali le celle a combustibile e batterie. I requisiti funzionali chiave del piatto bipolare sono come segue: alta conduttività elettrica in direzione attraverso-spessore per ridurre ohmico-perdita, alte proprietà meccaniche per resistere a pressione ad alta compattazione e impatti esterni e ad alta produttività per la produzione di massa.
Rispetto alla grafite e metalli che sono state convenzionalmente adottate come materiali per la piastra bipolare, materiali compositi in fibra di carbonio/resina epossidica hanno una più alta forza specifica e la rigidità, che indica che il peso del sistema può essere notevolmente ridotto di sostituendo i materiali convenzionali del piatto bipolare con compositi1. Tuttavia, compositi di carbonio/epossidiche convenzionali hanno scarsa conduttività elettrica in direzione attraverso-spessore, che si traduce in una grande resistenza specifica areal (ASR), a causa dello strato di resina-ricco che si forma sulla superficie del composito. Lo strato di resina-ricco isolante impedisce il contatto diretto tra le fibre di carbonio conduttive e componenti adiacenti, ad esempio un altro piatto bipolare, strato di diffusione del gas (GDL), e carbonio sentivo elettrodo (CFE).
Molti studi sono stati condotti per risolvere l’ASR alta a causa dello strato di resina-ricco. Il primo approccio è stato metodi di trattamento di superficie per rimuovere selettivamente lo strato di resina-ricco. Ad esempio, abrasione meccanica è stata tentata per rimuovere la resina sulla superficie2. Tuttavia, le fibre di carbonio sono stati anche danneggiate, che ha provocato un povero ASR. Plasma trattamento3,4 e forno a microonde trattamento metodi5,6 sono stati sviluppati per evitare danni alle fibre, ma hanno provocato uniformità e bassa produttività. Il secondo approccio, metodi di rivestimento strato conduttivo, include Grafite espansa rivestimento7,8. Questo metodo con successo ridotto l’ASR ed è stato considerato come un metodo standard per la fabbricazione di un piatto bipolare composito. Tuttavia, è costoso e ha problemi di delaminazione e durata a causa della bassa resistenza meccanica.
In questo studio, il “metodo a strati morbido”, un romanzo che può esporre a fibre di carbonio sulla superficie della piastra bipolare composito, metodo di fabbricazione è dimostrato. Lo scopo principale di questo metodo è quello di ottenere un basso ASR con un costo di produzione basso. Il metodo di strato morbido adotta un sottile strato di morbido come una pellicola di polimero rilascio tra la muffa di compressione e la piastra bipolare. Dopo l’indurimento nello stampo di compressione e il distacco dello strato morbido, la manifattura di lamiere bipolare Visualizza esposte sulla superficie senza alcun trattamento post-superficie di fibre di carbonio. Questo metodo non solo ha fatto diminuire l’ASR ma anche significativamente aumentato le proprietà meccaniche e risolto il problema di permeabilità del gas. Questo metodo può essere applicato per molti altri scopi: lo sviluppo di una piastra elettricamente conduttiva, la fabbricazione di un composito sottile e la realizzazione di un adesivo misto senza trattamento superficiale.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il metodo morbido strato fornisce significativi vantaggi rispetto ai metodi convenzionali e con un costo di produzione inferiore. Tutti i tre tipi di compositi realizzati dal metodo morbido strato mostrano caratteristiche uniche in termini di proprietà elettriche, meccaniche, permeabilità ai gas e proprietà di adesione.
Per la misura della proprietà elettriche, è stato utilizzato un metodo di quattro punti sonda. ASR è stato misurato 5 volte e il valore medio è stato preso come un valor…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questa ricerca è stata sostenuta da clima Change Research Hub del KAIST (concedere no. N11160012), il leader stranieri Research Institute programma di reclutamento attraverso la Fondazione di ricerca nazionale di Corea finanziato dal Ministero della scienza, ICT e futuro pianificazione (concessione n ° 2011-0030065), il programma leader umano formazione risorsa di Industria di Neo regionale attraverso la nazionale Ricerca Fondazione della Corea (NRF) finanziato dal Ministero della scienza, ICT e pianificazione del futuro (grant no. NRF-2016H1D5A1910603). Loro sostegno è molto apprezzato.
Materials
| 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 |
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