Name: experimental implementation of a new composite fabrication method: exposing bare fibers on the composite surface by the soft layer method
Uploaded: 2017-10-06T12:30:00
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Cette recherche a été financée par le climat Change Research Hub de KAIST (subvention no N11160012), le menant étranger recherche Institut programme de recrutement par le biais de la Fondation nationale de recherche de Corée financé par le ministère de la Science, les TIC et avenir (subvention n° 2011-0030065), de planification le menant Human ressources programme de formation Industrie de Neo régionale grâce à la Fondation de la recherche nationale de Corée (NRF) financé par le ministère de la Science, les TIC et la planification Future (subvention no. NRF-2016H1D5A1910603). Leur soutien est grandement apprécié.

1. préparation de matériel <ol><li>préparation du matériau composite Remarque : attention, s’il vous plaît consulter toutes les fiches signalétiques (FS) avant utilisation. Plusieurs des produits chimiques utilisés dans ces méthodes peuvent être toxiques et cancérigènes. Nanomatériaux peut-être avoir des dangers additionnels par rapport à leurs homologues en vrac. Copiez toutes les pratiques de sécurité qui s’imposent lorsque vous effectuez une expérience, y compris l’uti...

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	<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>

La méthode douce couche fournit des avantages significatifs par rapport aux méthodes conventionnelles et avec un moindre coût de fabrication. Les trois types de composites fabriqués par la méthode de la couche molle présentent des caractéristiques uniques en ce qui concerne les propriétés électriques, propriétés mécaniques, perméabilité aux gaz et propriétés d’adhérence.
Pour mesurer les propriétés électriques, une méthode de quatre points à la sonde a été utilisée....

La plaque bipolaire est un élément clé multi-fonctionnel de systèmes de conversion d’énergie et systèmes de stockage d’énergie tels que les piles à combustible et les batteries. Les principales exigences fonctionnelles de la plaque bipolaire sont les suivantes : haute conductivité électrique dans le sens de l’épaisseur pour réduire la perte ohmique, hautes propriétés mécaniques pour résister à la pression de compactage élevé et les impacts externes et haute Productivity pour la production de masse.
Comparé avec le graphite et les métaux qui ont été adoptés conventionnellement comme matériaux pour la plaque bipolaire, composites de fibre de carbone/époxy ont une résistance spécifique plus élevée et rigidité, ce qui indique que le poids du système peut être considérablement réduit en remplacer les matériaux conventionnels plaque bipolaire avec composites1. Cependant, les composites carbone/époxy classiques ont mauvaise conductivité électrique dans le sens de l’épaisseur, qui se traduit par une grande résistance spécifique areal (ASR), en raison de la couche riche en résine qui se forme sur la surface composite. La couche riche en résine isolante empêche le contact direct entre les fibres de carbone conductrices et les éléments adjacents, comme une autre plaque bipolaire, couche de diffusion de gaz (GDL), et ressenti de carbone électrode (CFE).
De nombreuses études ont été menées pour résoudre l’ASR élevé en raison de la couche riche en résine. La première approche était des méthodes de traitement de surface pour éliminer sélectivement la couche riche en résine. Par exemple, l’abrasion mécanique a été tentée d’enlever la résine sur la surface2. Cependant, les fibres de carbone ont été également endommagés, qui a entraîné une mauvaise ASR. Plasma traitement3,4 et micro-ondes traitement méthodes5,6 ont également été développés pour éviter d’endommager les fibres, mais elles ont donné lieu à une uniformité et une faible productivité. La deuxième approche, méthodes de couche conductrice de revêtement, comprend graphite expansé enduit7,8. Cette méthode réduit le ASR et a été considérée comme une méthode normalisée pour la fabrication d’une plaque composite bipolaire avec succès. Toutefois, il est coûteux et a des problèmes de durabilité et de délaminage en raison de la faible résistance mécanique.
Dans cette étude, la « méthode de la couche molle », un roman qui peut exposer les fibres de carbone sur la surface de la plaque bipolaire composite, procédé de fabrication est démontrée. L’objectif principal de cette méthode est d’obtenir un ASR faible avec un coût de fabrication faible. La méthode couche molle adopte une mince couche molle comme une pellicule polymère entre le moule de compression et de la plaque bipolaire. Après durcissement dans le moule de compression et le détachement de la couche molle, la plaque bipolaire fabriquée affiche exposées sur la surface sans traitement de surface après des fibres de carbone. Cette méthode non seulement diminué l’ASR mais aussi sensiblement augmente les propriétés mécaniques et résolu la question de la perméabilité du gaz. Cette méthode peut être appliquée à des fins multiples : le développement d’une plaque conductrice, la fabrication d’un composite mince et la fabrication d’un adhésif mixte sans traitement de surface.

<table width="891">
	<tbody>
		<tr height="21" style="height:15.75pt">
			<td class="xl63" height="21" style="width:223pt;height:15.75pt" width="297">Unidirectional carbon/epoxy prepreg</td>
			<td class="xl63" style="width:72pt" width="96">SK Chemicals</td>
			<td class="xl63" style="width:110pt" width="146">USN020</td>
			<td class="xl66" style="width:264pt" width="352">Used to fabricate unidirectional carbon composite</td>
		</tr>
		<tr height="21" style="height:15.75pt">
			<td class="xl63" height="21" style="width:223pt;height:15.75pt" width="297">Plain weave carbon fabric/epoxy prepreg</td>
			<td class="xl63" style="width:72pt" width="96">SK Chemicals</td>
			<td class="xl63" style="width:110pt" width="146">WSN 1k</td>
			<td class="xl66">Used to fabricate fabric carbon composite</td>
		</tr>
		<tr height="21" style="height:15.75pt">
			<td class="xl63" height="21" style="width:223pt;height:15.75pt" width="297">Plain weave carbon fabric</td>
			<td class="xl63" style="width:72pt" width="96">SK Chemicals</td>
			<td class="xl63" style="width:110pt" width="146">C-112</td>
			<td class="xl66">Used to fabricate fabric carbon composite</td>
		</tr>
		<tr height="21" style="height:15.75pt">
			<td class="xl63" height="21" style="width:223pt;height:15.75pt" width="297">Non-woven carbon felt</td>
			<td class="xl63" style="width:72pt" width="96">Newell</td>
			<td class="xl63" style="width:110pt" width="146">Graphite felt 3 mm</td>
			<td class="xl66">Used to fabricated felt carbon composite</td>
		</tr>
		<tr height="21" style="height:15.75pt">
			<td class="xl63" height="21" style="width:223pt;height:15.75pt" width="297">Film type epoxy resin</td>
			<td class="xl63" style="width:72pt" width="96">SK Chemicals</td>
			<td class="xl63" style="width:110pt" width="146">K51</td>
			<td class="xl66">Used as a matrix of the composite</td>
		</tr>
		<tr height="21" style="height:15.75pt">
			<td class="xl63" height="21" style="width:223pt;height:15.75pt" width="297">Acetone 99.5%</td>
			<td class="xl63" style="width:72pt" width="96">Samchun</td>
			<td class="xl63" style="width:110pt" width="146">67-64-1</td>
			<td class="xl66">Used to cleanse the carbon fiber and the soft layers</td>
		</tr>
		<tr height="21" style="height:15.75pt">
			<td class="xl63" height="21" style="width:223pt;height:15.75pt" width="297">Mold release</td>
			<td class="xl63" style="width:72pt" width="96">ShinEtsu</td>
			<td class="xl63" style="width:110pt" width="146">KF-96</td>
			<td class="xl66">Used to coat the mold</td>
		</tr>
		<tr height="21" style="height:15.75pt">
			<td class="xl63" height="21" style="width:223pt;height:15.75pt" width="297">Release film</td>
			<td class="xl63" style="width:72pt" width="96">Airtech</td>
			<td class="xl63" style="width:110pt" width="146">A4000V</td>
			<td class="xl66">Used as a soft layer</td>
		</tr>
		<tr height="21" style="height:15.75pt">
			<td class="xl63" height="21" style="width:223pt;height:15.75pt" width="297">Compression mold</td>
			<td class="xl63" style="width:72pt" width="96">N/A</td>
			<td class="xl63" style="width:110pt" width="146">N/A</td>
			<td class="xl66">Machined in lab. Material: NAK80</td>
		</tr>
		<tr height="21" style="height:15.75pt">
			<td class="xl63" height="21" style="width:223pt;height:15.75pt" width="297">Hot press</td>
			<td class="xl63" style="width:72pt" width="96">Hydrotek 100</td>
			<td class="xl63" style="width:110pt" width="146">N/A</td>
			<td class="xl66">Used to apply pressure and heat</td>
		</tr>
		<tr height="21" style="height:15.75pt">
			<td class="xl63" height="21" style="width:223pt;height:15.75pt" width="297">Scanning electron microscope</td>
			<td class="xl63" style="width:72pt" width="96">FEI Compnay</td>
			<td class="xl63" style="width:110pt" width="146">Magellan 400</td>
			<td class="xl66">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

La plaque bipolaire est un élément clé dans les piles à combustible proton exchange membrane (PEMFC) et vanadium redox flux batteries (VRFBs). C’est un élément multifonctionnel qui devrait avoir une conductivité électrique élevée, caractéristiques mécaniques élevées et une productivité élevée.
À cet égard, un composite de résine de fibre de carbone/époxy peut être un matériau idéal pour remplacer la plaque bipolaire classique de graphite, qui conduit souvent à l’échec catastrophique de tout le système à cause de sa fragilité inhérente. Bien que le composite carbone/époxy a des propriétés mécaniques élevées et est facile à fabriquer, la conductivité électrique dans le sens de l’épaisseur est faible en raison de la couche riche en résine qui se forme à sa surface. Par conséquent, une couche de graphite expansé a été adoptée pour résoudre le problème de la conductivité électrique. Toutefois, la couche de graphite expansé non seulement augmente les coûts de fabrication mais a également des propriétés mécaniques pauvres.
Dans cette étude, une méthode pour exposer des fibres sur la surface composite est démontrée. Il y a actuellement beaucoup de méthodes qui peut exposer les fibres par traitement de surface après la fabrication du composite. Cette nouvelle méthode, cependant, n’exige pas le traitement de surface parce que les fibres sont exposés au cours de la fabrication du composite. En exposant les fibres de carbone nus sur la surface, la conductivité électrique et la résistance mécanique du composite sont considérablement augmentés.

Les spécimens préfabriqués sont observés à l’aide de la microscopie électronique à balayage (SEM) (Figure 1). Parce que la couche riche en résine qui couvre le haut des fibres est de seulement quelques micromètres d’épaisseur, une optique image microscopique observée dans la partie supérieure de l’échantillon n’est pas appropriée. Une image de SEM observée en inclinant le spécimen de 5° fournit une image plus représentative. Par rapp...

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

Un protocole d’exposer nus fibres sur la surface composite en éliminant les zones riches de résine est présenté. Les fibres sont exposés au cours de la fabrication des composites, non par le traitement de surface de post. Les composites de carbone exposés présentent une conductivité électrique élevée dans le sens de l’épaisseur et les propriétés mécaniques élevées.

Mise en œuvre expérimentale d’une nouvelle méthode de Fabrication Composite : exposer nus fibres sur la Surface Composite par la méthode de la couche molle

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 ...

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