Implementación experimental de un nuevo método de fabricación compuesto: exponer desnudas fibras en la superficie del compuesto por el método de capa suave
Summary
Se presenta un protocolo para exponer desnudas fibras en la superficie del compuesto mediante la eliminación de la zona rica de resina. Las fibras están expuestas durante la fabricación de los compuestos, no por el tratamiento superficial de post. Los compuestos de carbono expuestas presentan alta conductividad eléctrica en la dirección de espesor y altas propiedades mecánicas.
Abstract
La placa bipolar es un componente clave en pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFCs) y baterías de flujo de redox de vanadio (VRFBs). Es un componente multifuncional que debe tener alta conductividad, altas características mecánicas y alta productividad.
En este sentido, un compuesto de resina de fibra de carbono/epoxy puede ser un material ideal para sustituir la placa bipolar de grafito convencional, que a menudo conduce a la falla catastrófica de todo el sistema debido a su inherente fragilidad. Aunque el compuesto de carbono/epoxy tiene elevadas propiedades mecánicas y es fácil de fabricar, la conductividad eléctrica en la dirección del espesor es pobre debido a la capa rica en resina que forma en su superficie. Por lo tanto, una capa de grafito expandido fue adoptada para resolver el problema de la conductividad eléctrica. Sin embargo, la capa de grafito expandido no sólo aumenta los costos de fabricación pero también tiene propiedades mecánicas pobres.
En este estudio, se demuestra un método para exponer las fibras en la superficie del compuesto. Existen actualmente varios métodos que pueden exponer las fibras por tratamiento superficial después de la fabricación del compuesto. Este nuevo método, sin embargo, no requiere tratamiento superficial porque las fibras están expuestas durante la fabricación del compuesto. Al exponer el pelado fibras de carbono en la superficie, la conductividad eléctrica y resistencia mecánica del compuesto aumentan drásticamente.
Introduction
La placa bipolar es un componente clave de múltiples funciones de sistemas de conversión de energía y sistemas de almacenamiento de energía como celdas de combustible y baterías. Los requisitos funcionales clave de la placa bipolar son las siguientes: alta conductividad eléctrica en la dirección del espesor para reducir la pérdida óhmica, altas propiedades mecánicas para soportar la presión de compactación alta e impactos externos y alta productividad para la producción masiva.
Comparado con el grafito y metales que fueron adoptados convencionalmente como materiales para la placa bipolar, composites de fibra de carbono/epoxi tienen una mayor resistencia específica y la rigidez, lo que indica que el peso del sistema puede ser reducido por sustitución de los materiales de placa bipolar convencional con compuestos1. Sin embargo, compuestos de carbono/epoxy convencionales tienen mala conductividad eléctrica en la dirección del espesor, que se traduce en una resistencia específica de área grande (ASR), debido a la capa rica en resina que se forma en la superficie del compuesto. La capa rica en resina aislante previene el contacto directo entre los conductores de fibras de carbono y componentes adyacentes, como la otra placa bipolar, capa de la difusión del gas (GDL), y carbono sentía electrodo (CFE).
Muchos estudios se llevaron a cabo para resolver el ASR alta debido a la capa rica en resina. El primer acercamiento fue métodos de tratamiento superficial para eliminar selectivamente la capa rica en resina. Por ejemplo, abrasión mecánica se ha intentado quitar la resina en la superficie2. Sin embargo, las fibras de carbono fueron dañadas también, que dio lugar a un pobre ASR. Plasma tratamiento3,4 y microondas tratamiento métodos5,6 también fueron desarrollados para evitar el daño de la fibra, pero dio lugar a la uniformidad y baja productividad. El segundo enfoque, métodos de revestimiento capa conductora, incluye grafito expandido capa7,8. Este método reduce el ASR y ha sido considerado como un método estándar para la fabricación de una placa bipolar compuesta con éxito. Sin embargo, es costoso y tiene problemas de durabilidad y delaminación debido a la baja resistencia mecánica.
En este estudio, se demuestra el método”capa blanda”, una novela método que puede dejar al descubierto las fibras de carbono en la superficie de la placa bipolar compuesta, de fabricación. El objetivo principal de este método es obtener un ASR baja con un coste de fabricación bajo. El método de capa suave adopta una fina capa suave como una película de lanzamiento del polímero entre el molde de compresión y placa bipolar. Después de curar en el molde de la compresión y el desprendimiento de la capa blanda, la placa bipolar fabricada muestra las fibras de carbono expuestas en la superficie sin tratamiento superficial posterior. Este método no sólo disminuyó el ASR pero también significativamente aumenta las propiedades mecánicas y había solucionado el problema de permeabilidad de gas. Este método puede aplicarse para muchos otros fines: el desarrollo de una placa conductora, la fabricación de una composición fina y la fabricación de un adhesivo común sin tratamiento superficial.
Protocol
Representative Results
Discussion
El método de capa suave proporciona ventajas significativas en comparación con los métodos convencionales y con un menor costo de fabricación. Los tres tipos de materiales compuestos fabricados por el método de capa suave muestran características únicas en términos de las propiedades eléctricas, propiedades mecánicas, permeabilidad de gas y propiedades de adhesión.
Para la medición de las propiedades eléctricas, se utilizó un método de sondeo de cuatro puntos. ASR se midió 5 ve…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Esta investigación fue apoyada por el centro de investigación clima cambio de KAIST (grant no. N11160012), el líder extranjero Instituto contratación programa de investigación a través de la Fundación Nacional de investigación de Corea financiado por el Ministerio de ciencia, TIC y futuro planificación (grant no. 2011-0030065), el líder humano recursos programa de formación de Industria regional de Neo a través de la nacional investigación Fundación de Corea (NRF) financiado por el Ministerio de ciencia, TIC y planeación de futuro (no de la concesión. NRF-2016H1D5A1910603). Su ayuda es muy apreciada.
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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