이 연구는 기후 변화 연구 허브의 한국 과학 기술원에 의해 지원 되었다 (부여 제 N11160012), 과학기술부, 정보 통신 및 미래 계획 (부여 제 2011-0030065)에 의해 선도 외국 연구 연구소 채용 프로그램 한국 국립 연구 재단을 통해 자금 최고의 인적 자원 교육 프로그램의 지역 신 산업을 통해 국가 연구 재단의 한국 (NRF)는 부의 과학, ICT와 미래 계획 (no를 부여 합니다. NRF-2016H1D5A1910603). 그들의 지원이 크게 감사.

1. 재료 준비 <ol><li>복합 재료의 준비 참고: 주의 제발 사용 하기 전에 모든 관련 물질 안전 데이터 시트 (MSDS)를 참조 하십시오. 이 방법에 사용 되는 화학 물질의 여러 발암 성 및 독성이 있을 수 있습니다. 나노 재료는 그들의 대량 대응에 비해 추가 위험 할 수 있습니다. 공학적 통제 (연기 후드, 글로브 박스) 및 개인 보호 장비 (보호 안경, 장갑, 실험실 코트, 전장 바지, 폐쇄 발가락 신발)의 사용을 포함 하 여 실험을 수행할 때 모든 적절 한 안전 관행을 사용 하십시오. 
	참고: 응용 프로그램에 따라 강화 섬유의 종류 수 하나 또는 다음의 조합: 단방향 섬유, 직물, 비-짠 느낌, 잘게 잘린된 섬유.
	<ol><li>단방향 섬유 유형 <ol><li>사용 전 수태 복합 재료 (프리 프레 그), 그것은 사용 하기 가장 편리.</li>
			<li>0 °와 90 °를 피하기 위해 분할 포함 된 스택 순서로 프리 프레 그를 스택. 예를 들어로 스택 [0 3 / 90 3] s.</li>
		</ol></li> <li>짠 직물 유형 <ol><li>준비 짠된 탄소 섬유 및 필름 형 에폭시 수 지. 프리 프레 그를 사용 하 여 단계 1.1.2.1 1.1.2.6 건너뜁니다.</li>
			<li>정화 99.5% 아세톤 또는 다른 용 매 탈지에 직물. 오염을 피하기 위하여 청소 후 직물을 처리할 때 주의 가져가 라. 깨끗 한 표면 또는 보풀 지우기에 직물을 놓습니다.</li>
			<li>10 분에 대 한 주위 조건 하에서 건조 하 여 용 매를 제거</li>
			<li>껍질 에폭시 수 지의 백업 영화 고 탄소 직물의 1 가닥 1 가닥의 필름 타입 에폭시 연결할.</li>
			<li>에폭시 연결 된 탄소 직물은 미리 10 70 ° C에가 열 하는 뜨거운 접시에 배치 미리 임신에 대 한 s.</li>
			<li>10 분 주변 조건에서 준비 프리 프레 그를 냉각 하 고 다른 백업 영화 벗기다.</li>
			<li>스택 원하는 스태킹 순서를 가진 직물; 예를 들어 [0]로 스택 3.</li>
		</ol></li> <li>비-짠 느낌 <ol><li>직 펠트 준비.</li>
			<li>정화 99.5% 아세톤 또는 다른 용 매 탈지에 대 한 느낌. 오염을 방지 하는 세 안 후 느낌을 처리할 때 주의 가져가 라. 깨끗 한 표면 또는 보풀 지우기에 펠트를 놓습니다.</li>
			<li>껍질 에폭시 수 지의 백업 영화 고 탄소 양쪽에 느꼈다 1 가닥에 연결할 필름 형 에폭시 3 plies.</li>
			<li>장소 에폭시 연결 된 탄소는 미리 10 70 ° C에가 열 하는 뜨거운 접시에 느낀 전 임신에 대 한 s.</li>
			<li>10 분 대기 상태에서 준비 프리 프레 그를 냉각 하 고 다른 백업 영화 벗기다.</li>
		</ol></li></ol></li> <li>소프트 레이어 준비 참고: 소프트 레이어, 소계 (PTFE) 또는 플 루 오 르 에틸렌 프로필 렌 (FEP), 폴 리 에틸렌 이나 폴 리 프로필 렌, 폴리올 레 핀 등 약품에 대 한 또는 합성 고무 실리콘 고무는 fluoroelastomer 등을 사용할 수 있습니다. 이 프로토콜에서 FEP 필름 채택 되 고 그것의 항복 강도 방울 크게 이상 120 ° C. 25 µ m 두께 FEP는 두꺼운 100 µ m 두께 FEP는 직물에 대 한 적절 한 단방향 섬유 및 비 짠 느낌된 합성, 적합 복합 10을 입력 합니다.
	<li>정화 99.5% 아세톤과 소프트 레이어 <ol>. 주름과 핀 홀을 피하기 위해 주의 처리.</li>
		<li>닦아 소프트에 아세톤에서 보풀 잎사귀와 레이어. 아무 오염 소프트 레이어 때문에 그것은 합성 치료 과정 동안 전송 됩니다 확인 하십시오. 이러한 합성 뿐만 아니라 압축 형 손상 될 수 있기 때문에 항상 먼지와 작은 입자에서 부드러운 레이어를 유지.</li>
	</ol></li></ol> 2. 복합 제조 <ol><li>압축 금형의 설치 <ol><li>크기 120 m m × 120 m m의 구멍을 가진 압축 형 준비.</li>
		<li>압축 금형 몰드 릴리스를 적용 됩니다. 간단 하 게 붙여 또는 스프레이 금형에 몰드 릴리스 및 몰드 릴리스 남아의 단지 얇은 층까지 보풀 물티슈로 닦아.</li>
		<li>준비 복합 라미네이트 118 m m × 118 m m의 크기로 잘라.</li>
		<li>더 낮은 형에 25 µ m 두께 FEP 필름의 장소 1 가닥.</li>
		<li>FEP 필름에 복합 라미네이트를 놓고 다른 FEP 필름 라미네이트에 배치.</li>
		<li>부드러운 레이어를 평평 하 고 부드러운 레이어 및 복합 라미네이트 사이 갇힌 기포 제거.</li>
		<li>압축 성형 금형 닫습니다.</li>
	</ol></li> <li>압축 성형 <ol><li>150 뜨거운 압박 열 ° c. 
		참고: 금형 내부 시료의 온도이 상태에서 140 ° C. 낮은 온도 사용 하 여도 탄성 중합체 또는 폴리올 부드러운 레이어 채택 되 면 가능 하다. 모두 합성의 경화 온도 및 경화 온도 결정 하는 소프트 레이어의 연 화 온도 고려 하십시오.</li>
		<li>뜨거운 압박에 금형 장소.</li>
		<li>적용 압력 뜨거운 압박을 사용 하 여, 치료 일정 및 압력 복합 유형에 따라 다릅니다.
		<ol><li>단방향 섬유 복합 적용 30 분 20 MPa의 압력을 일정, 추가 과정이 필요 없습니다.</li>
			<li>직물 유형 복합 적용 20 MPa. 4 분 8 분 후에, 적용된 압력 0 놓고 즉시 20 MPa를 다시 적용. 
			참고:이 과정은 불린다 정화, 그리고 그 목적은 제거 과도 한 수 지와 봉된 공기 방울. 정화 단계 수 합성;의 크기에 따라 증가 될 수 있습니다. 더 큰 크기 합성 더 제거 해야합니다.
			그러나 <ol><li>, 수 지의 점도 증가, 시작 후 할 제거 되지. 총에서 30 분을 위한 치료.</li>
			</ol></li> <li>비 짠 느낌 유형 합성, 3 MPa 공 극 귀 착될 것 이다 압력 슛의 30 분 주의 대 한 적용 및 최종 제품에 결함. 천천히 압력 오버 슈트를 방지 하는 압력을 증가.</li>
		</ol></li> <li>조작된 합성의 유리 전이 온도 120 ° C 아래에 압력을 해제 하지 않고 뜨거운 압박에 압축 금형 냉각.</li>
		<li>압력을 놓고 뜨거운 압박에서 압축 몰드 제거.</li>
		<li>압축 금형에서 최종 제품을 demold.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol>
	<li>Hwang, I. U., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bipolar+plate+made+of+carbon+fiber+epoxy+composite+for+polymer+electrolyte+membrane+fuel+cells.">Bipolar plate made of carbon fiber epoxy composite for polymer electrolyte membrane fuel cells.</a> J Power Sources. 184 (1), 90-94 (2008).</li><li>Avasarala, B., Haldar, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+surface+roughness+of+composite+bipolar+plates+on+the+contact+resistance+of+a+proton+exchange+membrane+fuel+cell.">Effect of surface roughness of composite bipolar plates on the contact resistance of a proton exchange membrane fuel cell.</a> J Power Sources. 188 (1), 225-229 (2009).</li><li>Yu, H. N., Lim, J. W., Kim, M. K., Lee, D. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Plasma+treatment+of+the+carbon+fiber+bipolar+plate+for+PEM+fuel+cell.">Plasma treatment of the carbon fiber bipolar plate for PEM fuel cell.</a> Compos Struct. 94 (5), 1911-1918 (2012).</li><li>Lim, J. W., Lee, D. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+composite-metal+hybrid+bipolar+plates+for+PEM+fuel+cells.">Development of composite-metal hybrid bipolar plates for PEM fuel cells.</a> Int J Hydrogen Energy. 37 (17), (2012).</li><li>Kim, B. G., Lee, D. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electromagnetic-carbon+surface+treatment+of+composite+bipolar+plate+for+high-efficiency+polymer+electrolyte+membrane+fuel+cells.">Electromagnetic-carbon surface treatment of composite bipolar plate for high-efficiency polymer electrolyte membrane fuel cells.</a> J Power Sources. 195 (6), 1577-1582 (2010).</li><li>Kim, B. G., Lim, J. W., Lee, D. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+single-type+aluminum/composite+hybrid+bipolar+plate+with+surface+modification+for+high+efficiency+PEMFC.">A single-type aluminum/composite hybrid bipolar plate with surface modification for high efficiency PEMFC.</a> Int J Hydrogen Energy. 36 (4), 3087-3095 (2011).</li><li>Yu, H. N., Lim, J. W., Suh, J. D., Lee, D. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+graphite-coated+carbon+fiber+epoxy+composite+bipolar+plate+for+polymer+electrolyte+membrane+fuel+cell.">A graphite-coated carbon fiber epoxy composite bipolar plate for polymer electrolyte membrane fuel cell.</a> J Power Sources. 196 (23), 9868-9875 (2011).</li><li>Kim, K. H., Kim, B. G., Lee, D. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+carbon+composite+bipolar+plate+(BP)+for+vanadium+redox+flow+battery+(VRFB).">Development of carbon composite bipolar plate (BP) for vanadium redox flow battery (VRFB).</a> Compos Struct. 109, 253-259 (2014).</li><li>Lee, D., Lim, J. W., Nam, S., Choi, I., Lee, D. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gasket-integrated+carbon/silicone+elastomer+composite+bipolar+plate+for+high-temperature+PEMFC.">Gasket-integrated carbon/silicone elastomer composite bipolar plate for high-temperature PEMFC.</a> Compos Struct. 128, 284-290 (2015).</li><li>Lee, D., Lee, D. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electro-mechanical+properties+of+the+carbon+fabric+composites+with+fibers+exposed+on+the+surface.">Electro-mechanical properties of the carbon fabric composites with fibers exposed on the surface.</a> Compos Struct. 140, 77-83 (2016).</li><li>Lee, D., Lim, J. W., Nam, S., Choi, I., Lee, D. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Method+for+exposing+carbon+fibers+on+composite+bipolar+plates.">Method for exposing carbon fibers on composite bipolar plates.</a> Compos Struct. 134, 1-9 (2015).</li><li>Lee, D., Lee, D. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Carbon+composite+bipolar+plate+for+high-temperature+proton+exchange+membrane+fuel+cells+(HT-PEMFCs).">Carbon composite bipolar plate for high-temperature proton exchange membrane fuel cells (HT-PEMFCs).</a> J Power Sources. 327, 119-126 (2016).</li><li>Lee, D., Choe, J., Nam, S., Lim, J. W., Choi, I., Lee, D. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+non-woven+carbon+felt+composite+bipolar+plates+using+the+soft+layer+method.">Development of non-woven carbon felt composite bipolar plates using the soft layer method.</a> Compos struct. 160, 976-982 (2016).</li><li>Lee, D., Lim, J. W., Lee, D. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cathode/anode+integrated+composite+bipolar+plate+for+high-temperature+PEMFC.">Cathode/anode integrated composite bipolar plate for high-temperature PEMFC.</a> Compos Struct. 167, 144-151 (2017).</li><li>Lee, D., Oh, Y., Nam, S., Choe, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Adhesion+Characteristics+of+Fiber-exposed+Glass+Composites.">Adhesion Characteristics of Fiber-exposed Glass Composites.</a> Compos Struct. 165, 9-14 (2017).</li></ol>

저자는 공개 없다.

소프트 레이어 메서드는 전통적인 방법, 그리고 낮은 제조 비용에 비해 상당한 이점을 제공 합니다. 모든 세 가지 유형의 소프트 레이어 방법에 의해 제조 하는 복합 전기적 특성, 기계적 특성, 가스 침투성 및 접착 속성 고유한 특성을 표시 합니다.
전기 속성의 측정을 위해 4 포인트 프로브 방법은 사용 되었다. ASR 5 번 측정 했다 그리고 평균 값 그 바이 폴라 플레이트에 대 한...

바이 폴라 플레이트는 에너지 변환 시스템 및 연료 전지 및 배터리 같은 에너지 저장 시스템의 다기능 핵심 구성 요소입니다. 바이 폴라 플레이트의 주요 기능 요구 사항은 다음과 같습니다: 통해 두께 방향으로 높은 압축 압력 및 외부 충격, 높은 견딜 저항 손실, 높은 기계적 성질을 줄이기 위해 높은 전기 전도도 대량 생산을 위한 생산성입니다.
비해 흑연 및 금속 통상 바이 폴라 플레이트에 대 한 자료로 채택 되었다, 탄소 섬유/에폭시 복합 재료는 높은 특정 강도 및 강성,이 시스템의 무게 크게에 의해 감소 될 수 있다 복합1기존의 바이 폴라 플레이트 재료를 교체. 그러나, 기존의 탄소/에폭시 복합 재료 합성 표면에 형성 되는 수 지 풍부한 레이어 때문 통해 두께 방향으로 귀착되는 큰 면적 비 저항 (ASR), 빈약한 전기 전도도 가진다. 절연 수 지 부자 층 전도성 탄소 섬유와 같은 다른 바이 폴라 플레이트, 가스 확산 층 (GDL), 인접 한 구성 요소 간의 직접 접촉을 방지 하 고 탄소 전극 (CFE)를 느꼈다.
수 지-부자 계층 인해 높은 ASR를 해결 하기 위해 많은 연구 했다. 첫 번째 방법은 표면 처리 방법을 수 지 풍부한 레이어를 선택적으로 제거 했다. 예를 들어 기계적 마모 표면2에 수 지를 제거 하려고 했습니다. 그러나, 탄소 섬유 또한 손상 되었다, 가난한 ASR 결과. 플라즈마 치료3,4 , 전자 렌지 치료 방법5,6 또한 섬유의 손상을 방지 하기 위해 개발 되었습니다 하지만 그들은 낮은 생산성과 균일도에 결과. 두 번째 방법은, 전도성 층 코팅 방법, 확장 된 흑연을 코팅7,8에 포함 되어 있습니다. 이 메서드는 성공적으로 ASR을 감소 하 고 합성 바이 폴라 플레이트를 제조 하는 표준 방법으로 여겨 왔다. 그러나, 그것은 비용이 많이 드는 하 고 내구성 및 박 리 문제 때문에 낮은 기계적 강도 있다.
이 연구에서 "소프트 레이어 방법", 소설 제조 탄소 섬유 복합 바이 폴라 플레이트 표면에 노출 될 수 있는 방법 시연입니다. 이 방법의 주요 목적은 낮은 제조 비용으로 낮은 ASR를 얻을 것입니다. 소프트 레이어 방법 압축 형과 바이 폴라 플레이트 사이 폴리머 형 필름 등 얇은 부드러운 레이어를 채택 한다. 압축 형 및 소프트 레이어 분리에서 치료 후 조작된 바이 폴라 플레이트 표시 탄소 섬유 후 표면 치료 없이 표면에 노출 됩니다. 이 방법 뿐만 아니라 ASR을 감소 하지만 크게 기계적 특성 증가 및 가스 침투성 문제 해결. 이 방법은 많은 다른 목적을 위해 적용할 수 있습니다: 전기 전도성 격판덮개, 얇은 합성의 제조 및 표면 처리 없이 공동 접착제의 제조의 개발.

<table><tbody><tr><td>Unidirectional carbon/epoxy prepreg</td><td>SK Chemicals</td><td>USN020</td><td>Used to fabricate unidirectional carbon composite</td></tr><tr><td>Plain weave carbon fabric/epoxy prepreg</td><td>SK Chemicals</td><td>WSN 1k</td><td>Used to fabricate fabric carbon composite</td></tr><tr><td>Plain weave carbon fabric</td><td>SK Chemicals</td><td>C-112</td><td>Used to fabricate fabric carbon composite</td></tr><tr><td>Non-woven carbon felt</td><td>Newell</td><td>Graphite felt 3 mm</td><td>Used to fabricated felt carbon composite</td></tr><tr><td>Film type epoxy resin</td><td>SK Chemicals</td><td>K51</td><td>Used as a matrix of the composite</td></tr><tr><td>Acetone 99.5%</td><td>Samchun</td><td>67-64-1</td><td>Used to cleanse the carbon fiber and the soft layers</td></tr><tr><td>Mold release</td><td>ShinEtsu</td><td>KF-96</td><td>Used to coat the mold</td></tr><tr><td>Release film</td><td>Airtech</td><td>A4000V</td><td>Used as a soft layer</td></tr><tr><td>Compression mold</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>Machined in lab. Material: NAK80</td></tr><tr><td>Hot press</td><td>Hydrotek 100</td><td>N/A</td><td>Used to apply pressure and heat</td></tr><tr><td>Scanning electron microscope</td><td>FEI Compnay</td><td>Magellan 400</td><td>Used to investigate the surface of the composite</td></tr></tbody></table>

experimental implementation of a new composite fabrication method: exposing bare fibers on the composite surface by the soft layer method

바이 폴라 플레이트는 양성자 교환 막 연료 전지 (PEMFCs)과 바나듐 산화 환 원 흐름 배터리 (VRFBs)에서 핵심 구성 요소입니다. 그것은 높은 전기 전도도, 높은 기계적 특성, 및 높은 생산성을가지고 있어야 하는 다기능 구성 요소입니다.
이와 관련, 탄소 섬유/에폭시 수 지 합성에 수시로 지도 하는 전체 시스템의 치명적인 오류가 고유의 그것의 취 성 때문에 기존의 흑연 양극 격판덮개를 대체 하는 이상적인 물자 일 수 있다. 탄소/에폭시 복합은 높은 기계적 성질 하 고 제조 하기 쉽습니다, 그것의 표면에 형성 하는 수 지 풍부한 레이어 때문에 통해 두께 방향에서 전기 전도도 가난. 따라서, 확장 된 흑연 코팅 전기 전도도 문제를 해결 하기 위해 채택 되었다. 그러나, 확장 된 흑연 코팅 뿐만 아니라 제조 비용을 증가 하지만 가난한 기계적 성질에는 또한 있다.
이 연구에서는 섬유 복합 표면에 노출 하는 방법을 시연입니다. 합성의 제작 후 표면 처리 하 여 섬유를 노출할 수 있습니다 현재 많은 방법이 있다. 그러나 섬유 합성물의 제조 시 노출 되는 때문에이 새로운 방법은, 표면 처리가 필요 하지 않습니다. 맨 손으로 탄소 섬유 표면에 노출 하 여 복합체의 기계적 강도와 전기 전도도 대폭 증가 된다.

조작된 표본 스캐닝 전자 현미경 (SEM) (그림 1)를 사용 하 여 관찰 된다. 섬유의 상단을 커버 수 지 풍부한 레이어만 몇 마이크로미터 두께 때문에 표본의 상단에서 광학 현미경 이미지 적합 하지 않다. 5 °는 시료를 기울임으로써 관찰 SEM 이미지를 더 대표 이미지를 제공 합니다. 합성 수 지로 덮여 그 표면에는, 기존의 압축 성형에 의해 조작에 비해 ?...

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Experimental Implementation of a New Composite Fabrication Method: Exposing Bare Fibers on the Composite Surface by the Soft Layer Method

복합 표면에 벌 거 벗은 섬유 수 지 풍부한 영역을 제거 하 여 노출 하는 프로토콜 제공 됩니다. 섬유는 복합 재료의 제조 동안 게시물 표면 처리에 의해 아닙니다 노출 됩니다. 노출 된 탄소 복합 재료는 높은 전기 전도도 통해 두께 방향 및 높은 기계적 성질에 전시.

새로운 복합 제조 방법의 실험적 구현: 소프트 레이어 방법으로 복합 표면에 벌 거 벗은 섬유 노출

The bipolar plate is a key component in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) and vanadium redox flow batteries (VRFBs). It is a multi-functional ...

experimental-implementation-new-composite-fabrication-method-exposing

Research

JoVE Journal

Engineering

8.2K 조회수.  Korea Advanced Institute of Science and Technology. 복합 표면에 벌 거 벗은 섬유 수 지 풍부한 영역을 제거 하 여 노출 하는 프로토콜 제공 됩니다. 섬유는 복합 재료의 제조 동안 게시물 표면 처리에 의해 아닙니다 노출 됩니다. 노출 된 탄소 복합 재료는 높은 전기 전도도 통해 두께 방향 및 높은 기계적 성질에 전시.

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Fabricating Metamaterials Using the Fiber Drawing Method

Metamaterials are man-made composite materials, fabricated by assembling components much smaller than the wavelength at which they operate 1. They owe their electromagnetic properties to the structure of their constituents, instead of the atoms that compose them. For example, sub-wavelength metal wires can be arranged to possess an effective electric permittivity that is either positive or negative at a given frequency, in contrast to the metals themselves 2. This unprecedented control over the behaviour of light can potentially lead to a number of novel devices, such as invisibility cloaks 3, negative refractive index materials 4, and lenses that resolve objects below the diffraction limit 5. However, metamaterials operating at optical, mid-infrared and terahertz frequencies are conventionally made using nano- and micro-fabrication techniques that are expensive and produce samples that are at most a few centimetres in size 6-7. Here we present a fabrication method to produce hundreds of meters of metal wire metamaterials in fiber form, which exhibit a terahertz plasmonic response 8. We combine the stack-and-draw technique used to produce microstructured polymer optical fiber 9 with the Taylor-wire process 10, using indium wires inside polymethylmethacrylate (PMMA) tubes. PMMA is chosen because it is an easy to handle, drawable dielectric with suitable optical properties in the terahertz region; indium because it has a melting temperature of 156.6 &deg;C which is appropriate for codrawing with PMMA. We include an indium wire of 1 mm diameter and 99.99% purity in a PMMA tube with 1 mm inner diameter (ID) and 12 mm outside diameter (OD) which is sealed at one end. The tube is evacuated and drawn down to an outer diameter of 1.2 mm. The resulting fiber is then cut into smaller pieces, and stacked into a larger PMMA tube. This stack is sealed at one end and fed into a furnace while being rapidly drawn, reducing the diameter of the structure by a factor of 10, and increasing the length by a factor of 100. Such fibers possess features on the micro- and nano- scale, are inherently flexible, mass-producible, and can be woven to exhibit electromagnetic properties that are not found in nature. They represent a promising platform for a number of novel devices from terahertz to optical frequencies, such as invisible fibers, woven negative refractive index cloths, and super-resolving lenses.

Metamaterials at terahertz frequencies offer unique opportunities, but are challenging to fabricate in bulk. We adapt the fabrication procedure for microstructured polymer optical fibers to inexpensively fabricate metamaterials potentially on an industrial scale. We produce polymethylmethacrylate fibers containing ~10 &mu;m diameter indium wires separated by ~100 &mu;m, which exhibit a terahertz plasmonic response.

섬유 그리기 방법을 사용하여 제조 Metamaterials

Metamaterials are man-made composite materials, fabricated by assembling components much smaller than the wavelength at which they operate 1. They owe ...

연구

공학

Manufacturing of Three-dimensionally Microstructured Nanocomposites through Microfluidic Infiltration

Microstructured composite beams reinforced with complex three-dimensionally (3D) patterned nanocomposite microfilaments are fabricated via nanocomposite in&#64257;ltration of 3D interconnected microfluidic networks. The manufacturing of the reinforced beams begins with the fabrication of microfluidic networks, which involves layer-by-layer deposition of fugitive ink filaments using a dispensing robot, filling the empty space between filaments using a low viscosity resin, curing the resin and finally removing the ink.&#160;Self-supported 3D structures with other geometries and many layers (e.g.&#160;a few hundreds layers) could be built using this method. The resulting tubular micro&#64258;uidic networks are then infiltrated with thermosetting nanocomposite suspensions containing nanofillers (e.g.&#160;single-walled carbon nanotubes), and subsequently cured. The infiltration is done by applying a pressure gradient between two ends of the empty network (either by applying a vacuum or vacuum-assisted microinjection). Prior to the infiltration, the nanocomposite suspensions are prepared by dispersing nanofillers into polymer matrices using ultrasonication and three-roll mixing methods. The nanocomposites (i.e.&#160;materials infiltrated) are then solidified under UV exposure/heat cure, resulting in a 3D-reinforced composite structure. The technique presented here enables the design of functional nanocomposite macroscopic products for microengineering applications such as actuators and sensors.

Three-dimensional (3D) microstructured composite beams are fabricated through the directed and localized infiltration of nanocomposites into 3D porous microfluidic networks. The flexibility of this manufacturing method enables the utilization of different thermosetting materials and nanofillers in order to achieve a variety of functional 3D reinforced nanocomposite macroscopic products.

미세 유체 침투를 통해 세 가지 차원 미세 구조 나노 복합 재료의 제조

Microstructured composite beams reinforced with complex three-dimensionally (3D) patterned nanocomposite microfilaments are fabricated via nanocomposite ...

화학

Strain Sensing Based on Multiscale Composite Materials Reinforced with Graphene Nanoplatelets

The electrical response of NH2-functionalized graphene nanoplatelets composite materials under strain was studied. Two different manufacturing methods are proposed to create the electrical network in this work: (a) the incorporation of the nanoplatelets into the epoxy matrix and (b) the coating of the glass fabric with a sizing filled with the same nanoplatelets. Both types of multiscale composite materials, with an in-plane electrical conductivity of ~10-3 S/m, showed an exponential growth of the electrical resistance as the strain increases due to distancing between adjacent functionalized graphene nanoplatelets and contact loss between overlying ones. The sensitivity of the materials analyzed during this research, using the described procedures, has been shown to be higher than commercially available strain gauges. The proposed procedures for self-sensing of the structural composite material would facilitate the structural health monitoring of components in difficult to access emplacements such as offshore wind power farms. Although the sensitivity of the multiscale composite materials was considerably higher than the sensitivity of metallic foils used as strain gauges, the value reached with NH2 functionalized graphene nanoplatelets coated fabrics was nearly an order of magnitude superior. This result elucidated their potential to be used as smart fabrics to monitor human movements such as bending of fingers or knees. By using the proposed method, the smart fabric could immediately detect the bending and recover instantly. This fact permits precise monitoring of the time of bending as well as the degree of bending.

The integration of conductive nanoparticles, such as graphene nanoplatelets, into glass fiber composite materials creates an intrinsic electrical network susceptible to strain. Here, different methods to obtain strain sensors based on the addition of graphene nanoplatelets into the epoxy matrix or as a coating on glass fabrics are proposed.

The electrical response of NH2-functionalized graphene nanoplatelets composite materials under strain was studied. Two different manufacturing methods are ...

Microfluidic Fabrication of Polymeric and Biohybrid Fibers with Predesigned Size and Shape

A &#8220;sheath&#8221; fluid passing through a microfluidic channel at low Reynolds number can be directed around another &#8220;core&#8221; stream and used to dictate the shape as well as the diameter of a core stream.&#160;Grooves in the top and bottom of a microfluidic channel were designed to direct the sheath fluid and shape the core fluid.&#160;By matching the viscosity and hydrophilicity of the sheath and core fluids, the interfacial effects are minimized and complex fluid shapes can be formed.&#160;Controlling the relative flow rates of the sheath and core fluids determines the cross-sectional area of the core fluid.&#160;Fibers have been produced with sizes ranging from 300 nm to ~1 mm, and fiber cross-sections can be round, flat, square, or complex as in the case with double anchor fibers. Polymerization of the core fluid downstream from the shaping region solidifies the fibers.&#160;Photoinitiated click chemistries are well suited for rapid polymerization of the core fluid by irradiation with ultraviolet light.&#160;Fibers with a wide variety of shapes have been produced from a list of polymers including liquid crystals, poly(methylmethacrylate), thiol-ene and thiol-yne resins, polyethylene glycol, and hydrogel derivatives. Minimal shear during the shaping process and mild polymerization conditions also makes the fabrication process well suited for encapsulation of cells and other biological components.

Two adjacent fluids passing through a grooved microfluidic channel can be directed to form a sheath around a prepolymer core; thereby&#160;determining both shape and cross-section. Photoinitiated polymerization, such as thiol click chemistry, is well suited for rapidly solidifying the core fluid into a microfiber with predetermined size and shape.

미리 설계된 크기와 모양의 중합체 및 바이오 하이브리드 섬유의 미세 유체 제조

A &#8220;sheath&#8221; fluid passing through a microfluidic channel at low Reynolds number can be directed around another &#8220;core&#8221; stream and ...

생체공학

Microfluidic Dry-spinning and Characterization of Regenerated Silk Fibroin Fibers

The protocol demonstrates a method for mimicking the spinning process of silkworm. In the native spinning process, the contracting spinning duct enables the silk proteins to be compact and ordered by shearing and elongation forces. Here, a biomimetic microfluidic channel was designed to mimic the specific geometry of the spinning duct of the silkworm. Regenerated silk fibroin (RSF) spinning doped with high concentration, was extruded through the microchannel to dry-spin fibers at ambient temperature and pressure. In the post-treated process, the as-spun fibers were drawn and stored in ethanol aqueous solution. Synchrotron radiation wide-angle X-ray diffraction (SR-WAXD) technology was used to investigate the microstructure of single RSF fibers, which were fixed to a sample holder with the RSF fiber axis normal to the microbeam of the X-ray. The crystallinity, crystallite size, and crystalline orientation of the fiber were calculated from the WAXD data. The diffraction arcs near the equator of the two-dimensional WAXD pattern indicate that the post-treated RSF fiber has a high orientation degree.

A protocol for the microfluidic spinning and microstructure characterization of regenerated silk fibroin monofilament is presented.

미세 드라이 회전 및 재생성된 실크 Fibroin 섬유의 특성

The protocol demonstrates a method for mimicking the spinning process of silkworm. In the native spinning process, the contracting spinning duct enables ...

Manufacturing Of Robust Natural Fiber Preforms Utilizing Bacterial Cellulose as Binder

A novel method of manufacturing rigid and robust natural fiber preforms is presented here. This method is based on a papermaking process, whereby loose and short sisal fibers are dispersed into a water suspension containing bacterial cellulose. The fiber and nanocellulose suspension is then filtered (using vacuum or gravity) and the wet filter cake pressed to squeeze out any excess water, followed by a drying step. This will result in the hornification of the bacterial cellulose network, holding the loose natural fibers together.
Our method is specially suited for the manufacturing of rigid and robust preforms of hydrophilic fibers. The porous and hydrophilic nature of such fibers results in significant water uptake, drawing in the bacterial cellulose dispersed in the suspension. The bacterial cellulose will then be filtered against the surface of these fibers, forming a bacterial cellulose coating. When the loose fiber-bacterial cellulose suspension is filtered and dried, the adjacent bacterial cellulose forms a network and hornified to hold the otherwise loose fibers together.
The introduction of bacterial cellulose into the preform resulted in a significant increase of the mechanical properties of the fiber preforms. This can be attributed to the high stiffness and strength of the bacterial cellulose network. With this preform, renewable high performance hierarchical composites can also be manufactured by using conventional composite production methods, such as resin film infusion (RFI) or resin transfer molding (RTM). Here, we also describe the manufacturing of renewable hierarchical composites using double bag vacuum assisted resin infusion.

We present a novel method of manufacturing rigid and robust short natural fiber preforms using a papermaking process. Bacterial cellulose acts simultaneously as the binder for the loose fibers and provides rigidity to the fiber preforms. These preforms can be infused with a resin to produce truly green hierarchical composites.

바인더로 박테리아 셀룰로오스를 활용하여 강력한 천연 섬유 프리폼 제조

A novel method of manufacturing rigid and robust natural fiber preforms is presented here. This method is based on a papermaking process, whereby loose ...

Magnet Assisted Composite Manufacturing: A Flexible New Technique for Achieving High Consolidation Pressure in Vacuum Bag/Lay-Up Processes

This work demonstrates a protocol to improve the quality of composite laminates fabricated by wet lay-up vacuum bag processes using the recently developed magnet assisted composite manufacturing (MACM) technique. In this technique, permanent magnets are utilized to apply a sufficiently high consolidation pressure during the curing stage. To enhance the intensity of the magnetic field, and thus, to increase the magnetic compaction pressure, the magnets are placed on a magnetic top plate. First, the entire procedure of preparing the composite lay-up on a magnetic bottom steel plate using the conventional wet lay-up vacuum bag process is described. Second, placement of a set of Neodymium-Iron-Boron permanent magnets, arranged in alternating polarity, on the vacuum bag is illustrated. Next, the experimental procedures to measure the magnetic compaction pressure and volume fractions of the composite constituents are presented. Finally, methods used to characterize microstructure and mechanical properties of composite laminates are discussed in detail. The results prove the effectiveness of the MACM method in improving the quality of wet lay-up vacuum bag laminates. This method does not require large capital investment for tooling or equipment and can also be used to consolidate geometrically complex composite parts by placing the magnets on a matching top mold positioned on the vacuum bag.

A new technique for applying consolidation pressure on the vacuum bag lay-up to fabricate composite laminates is described. The goal of this protocol is to develop a simple, cost-effective technique to improve the quality of laminates fabricated by the wet lay-up vacuum bag method.

자석 복합 제조 지원: 유연한 새로운 기술 진공 가방/Lay 업 프로세스에 높은 통합 압력을 달성 하기 위한

This work demonstrates a protocol to improve the quality of composite laminates fabricated by wet lay-up vacuum bag processes using the recently developed ...

Fabrication and Design of Wood-Based High-Performance Composites

Delignified densified wood is a new promising and sustainable material that possesses the potential to replace synthetic materials, such as glass fiber reinforced composites, due to its excellent mechanical properties. Delignified wood, however, is rather fragile in a wet state, which makes handling and shaping challenging. Here we present two fabrication processes, closed-mold densification and vacuum densification, to produce high-performance cellulose composites based on delignified wood, including an assessment of their advantages and limitations. Further, we suggest strategies for how the composites can be re-used or decomposed at the end-of-life cycle. Closed-mold densification has the advantage that no elaborate lab equipment is needed. Simple screw clamps or a press can be used for densification. We recommend this method for small parts with simple geometries and large radii of curvature. Vacuum densification in an open-mold process is suitable for larger objects and complex geometries, including small radii of curvature. Compared to the closed-mold process, the open-mold vacuum approach only needs the manufacture of a single mold cavity.

Delignified densified wood represents a new promising lightweight, high-performance and bio-based material with great potential to partially substitute natural fiber reinforced- or glass fiber reinforced composites in the future. We here present two versatile fabrication routes and demonstrate the possibility to create complex composite parts.

Delignified densified wood is a new promising and sustainable material that possesses the potential to replace synthetic materials, such as glass fiber ...

Solution Blow Spinning of Polymeric Nano-Composite Fibers for Personal Protective Equipment

Light-weight, protective armor systems typically consist of high modulus (&#62;109 MPa) and high-strength polymeric fibers held in place with an elastic resin material (binder) to form a non-woven, unidirectional laminate. While significant efforts have focused on improving the mechanical properties of the high-strength fibers, little work has been undertaken to improve the properties of the binder materials. To improve the performance of these elastomeric polymer binders, a relatively new and simple fabrication process, known as solution blow spinning, was used. This technique is capable of producing sheets or webs of fibers with average diameters ranging from the nanoscale to the microscale. To achieve this, a solution blow spinning (SBS) apparatus has been designed and built in the laboratory to fabricate non-woven fiber mats from polymer elastomer solutions.
In this study, a commonly used binder material, a styrene-butadiene-styrene block-co-polymer dissolved in tetrahydrofuran, was used to produce nanocomposite fiber mats by adding metallic nanoparticles (NPs), such as iron oxide NPs, that were encapsulated with silicon oil and thus incorporated in the fibers formed via the SBS process. The protocol described in this work will discuss the effects of the various critical parameters involved in the SBS process, including the polymer molar mass, the selection of the thermodynamically appropriate solvent, the polymer concentration in solution, and the carrier gas pressure to assist others in performing similar experiments, as well as provide guidance to optimize the configuration of the experimental setup. The structural integrity and morphology of the resultant non-woven fiber mats were examined using scanning electron microscopy (SEM) and elemental X-ray analysis via energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS). The goal of this study is to evaluate the effects of the various experimental parameters and material selections to optimize the structure and morphology of the SBS fiber mats.

The primary goal of this study is to describe a protocol to prepare polymeric fiber mats with consistent morphology via solution blow spinning (SBS). We aim to use SBS to develop novel, tunable, flexible polymeric fiber nanocomposites for various applications, including protective materials, by incorporating nanoparticles in a polymer-elastomer matrix.

개인 보호 장비용 고분자 나노 복합 섬유의 용액 블로우 방사

Light-weight, protective armor systems typically consist of high modulus (&#62;109 MPa) and high-strength polymeric fibers held in place with an elastic ...

Fiber Composite Laminates의 제조 및 기계적 물성 평가

Measuring the Mechanical Properties of Glass Fiber Reinforcement Polymer Composite Laminates Obtained by Different Fabrication Processes

The traditional wet hand lay-up process (WL) has been widely applied in the manufacturing of fiber composite laminates. However, due insufficiency in the forming pressure, the mass fraction of fiber is reduced and lots of air bubbles are trapped inside, resulting in low-quality laminates (low stiffness and strength). The wet hand lay-up/vacuum bag (WLVB) process for the fabrication of composite laminates is based on the traditional wet hand lay-up process, using a vacuum bag to remove air bubbles and provide pressure, and then carrying out the heating and curing process. 
Compared with the traditional hand lay-up process, laminates manufactured by the WLVB process show superior mechanical properties, including better strength and stiffness, higher fiber volume fraction, and lower void volume fraction, which are all benefits for composite laminates. This process is completely manual, and it is greatly influenced by the skills of the preparation personnel. Therefore, the products are prone to defects such as voids and uneven thickness, leading to unstable qualities and mechanical properties of the laminate. Hence, it is necessary to finely describe the WLVB process, finely control steps, and quantify material ratios, in order to ensure the mechanical properties of laminates. 
This paper describes the meticulous process of the WLVB process for preparing woven plain patterned glass fiber reinforcement composite laminates (GFRPs). The fiber volume content of laminates was calculated using the formula method, and the calculated results showed that the fiber volume content of WL laminates was 42.04%, while that of WLVB laminates was 57.82%, increasing by 15.78%. The mechanical properties of the laminates were characterized using tensile and impact tests. The experimental results revealed that with the WLVB process, the strength and modulus of the laminates were enhanced by 17.4% and 16.35%, respectively, and the specific absorbed energy was increased by 19.48%.

저자 스포트라이트: Enhancing Fiber Composite Laminate Quality with the Wet Hand Lay-Up/Vacuum Bag Process(습식 핸드 레이업/진공 백 공정을 통한 섬유 복합 라미네이트 품질 향상) 

This paper describes a fabrication process for fiber-reinforced polymer matrix composite laminates obtained using the wet hand lay-up/vacuum bag method.

다양한 제조 공정에서 얻은 유리 섬유 강화 고분자 복합 라미네이트의 기계적 특성 측정

The traditional wet hand lay-up process (WL) has been widely applied in the manufacturing of fiber composite laminates. However, due insufficiency in the ...