Implementação experimental de um novo método de fabricação de compósitos: expondo desencapadas fibras na superfície composta pelo método suave camada
Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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 to…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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.
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 |
Riferimenti
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