一种新的复合制备方法的实验实现: 用软层法对复合材料表面裸露纤维进行曝光
Summary
提出了一种通过消除树脂富区来暴露复合材料表面裸露纤维的协议。纤维被暴露在复合材料的制造过程中, 而不是通过后表面处理。暴露的碳基复合材料在穿透厚度方向和高机械性能上表现出较高的电导率。
Abstract
双极板是质子交换膜燃料电池 (电池) 和钒氧化还原流电池 (VRFBs) 的关键部件。它是一种具有高导电性、高机械性能和高生产率的多功能元件。
在这方面, 碳纤维/环氧树脂复合材料可以是取代传统的石墨双极板的理想材料, 这往往导致整个系统的灾难性故障, 因为其固有的脆性。虽然碳/环氧树脂复合材料具有很高的机械性能, 易于制造, 但由于在其表面形成了富树脂层, 所以通过厚度方向的导电性较差。因此, 采用膨胀石墨涂层来解决导电问题。然而, 膨胀石墨涂层不仅增加了制造成本, 而且机械性能较差。
在本研究中, 展示了一种在复合表面上暴露纤维的方法。目前有许多方法可以暴露纤维的表面处理后, 复合材料的制造。然而, 这种新方法不需要表面处理, 因为纤维是在复合材料制造过程中暴露出来的。通过暴露表面裸露的碳纤维, 使复合材料的导电性和机械强度大幅度提高。
Introduction
双极板是能量转换系统和能量存储系统 (如燃料电池和电池) 的多功能关键部件。双极板的关键功能要求如下: 高电导率在穿过厚度方向, 以减少欧姆损耗, 高机械性能, 承受高压实压力和外部冲击, 以及高批量生产的生产率。
与传统上采用的石墨和金属作为双极板材料相比, 碳纤维/环氧树脂复合材料具有较高的比强度和刚度, 这表明系统的重量可以大大降低用复合材料取代传统的双极板材料1。然而, 传统的碳/环氧复合材料在穿透厚度方向上的导电性较差, 导致了大面积的电阻 (ASR), 这是由于复合表面上形成了树脂丰富的层。该绝缘树脂层防止导电炭纤维与相邻元件之间的直接接触, 如另双极板、气体扩散层 (GDL) 和碳毡电极。
许多研究是为了解决高 ASR 由于树脂丰富的层。第一种方法是表面处理方法, 以选择性地去除树脂丰富的层。例如, 机械磨损试图去除表面上的树脂2。然而, 碳纤维也被损坏, 导致了一个糟糕的 ASR。等离子体处理3、4和微波处理方法5、6也被开发以避免纤维损坏, 但它们导致生产率和均匀性低下。第二种方法, 导电层涂层方法, 包括膨胀石墨涂层7,8。该方法成功地降低了 ASR, 被认为是制造复合双极板的标准方法。然而, 它是昂贵的, 有耐久性和分层问题, 由于机械强度低。
在这项研究中, “软层法”, 一种新的制造方法, 可以暴露碳纤维的复合双极板表面, 证明。该方法的主要目的是获得低的 ASR, 低的制造成本。软层法采用薄软层, 如在压缩模和双极板之间的聚合物释放膜。在压缩模和软层分离后, 制备的双极板显示在表面上暴露的碳纤维, 无任何 post-surface 处理。该方法不仅降低了 ASR, 而且大大提高了机械性能, 解决了气体渗透性问题。这种方法可用于许多其他用途: 发展一个导电板, 制造一个薄的复合材料, 和制造的粘合剂连接没有表面处理。
Protocol
Representative Results
Discussion
与传统方法相比, 软层法具有明显的优越性, 且制造成本较低。软层法制备的三种复合材料的电学性能、力学性能、透气性、附着力等方面都具有独特的特性。
对于电学性能的测量, 采用了四点探针法。对 ASR 进行了5次测量, 平均值作为双极板的代表值。共测量了五双极板, 并对误差条使用了最大和最小的 ASR 值。
由于暴露的碳纤维 (图 2a</st…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
这项研究得到了院气候变化研究中心的支持 (格兰特 No。N11160012), 由科学、ICT 和未来规划部资助的韩国国家研究基金会领导的国外研究院招聘项目 (赠款 No. 2011-0030065), 主要的人力资源培训计划通过由科学、ICT 和未来规划部资助的韩国国家研究基金会 (NRF) 的区域新产业 (批准号:NRF-2016H1D5A1910603)。他们的支持得到了极大的赞赏。
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 |
Referenzen
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