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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Questa ricerca è stata sostenuta da clima Change Research Hub del KAIST (concedere no. N11160012), il leader stranieri Research Institute programma di reclutamento attraverso la Fondazione di ricerca nazionale di Corea finanziato dal Ministero della scienza, ICT e futuro pianificazione (concessione n ° 2011-0030065), il programma leader umano formazione risorsa di Industria di Neo regionale attraverso la nazionale Ricerca Fondazione della Corea (NRF) finanziato dal Ministero della scienza, ICT e pianificazione del futuro (grant no. NRF-2016H1D5A1910603). Loro sostegno è molto apprezzato.

1. preparazione dei materiali <ol><li>preparazione del materiale composito Nota: attenzione, si prega di consultare tutte le schede di dati di sicurezza (MSDS) prima dell'uso. Molte delle sostanze chimiche utilizzate in questi metodi possono essere tossiche e cancerogene. I nanomateriali possono avere rischi aggiuntivi rispetto ai loro omologhi di massa. Si prega di utilizzare tutte le pratiche di sicurezza appropriate quando si esegue un esperimento, compreso l'uso di controlli tecnici (cappa, ...

<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>

Il metodo morbido strato fornisce significativi vantaggi rispetto ai metodi convenzionali e con un costo di produzione inferiore. Tutti i tre tipi di compositi realizzati dal metodo morbido strato mostrano caratteristiche uniche in termini di proprietà elettriche, meccaniche, permeabilità ai gas e proprietà di adesione.
Per la misura della proprietà elettriche, è stato utilizzato un metodo di quattro punti sonda. ASR è stato misurato 5 volte e il valore medio è stato preso come un valor...

La piastra bipolare è un componente chiave multi-funzionale dei sistemi di conversione energetica e sistemi di stoccaggio di energia quali le celle a combustibile e batterie. I requisiti funzionali chiave del piatto bipolare sono come segue: alta conduttività elettrica in direzione attraverso-spessore per ridurre ohmico-perdita, alte proprietà meccaniche per resistere a pressione ad alta compattazione e impatti esterni e ad alta produttività per la produzione di massa.
Rispetto alla grafite e metalli che sono state convenzionalmente adottate come materiali per la piastra bipolare, materiali compositi in fibra di carbonio/resina epossidica hanno una più alta forza specifica e la rigidità, che indica che il peso del sistema può essere notevolmente ridotto di sostituendo i materiali convenzionali del piatto bipolare con compositi1. Tuttavia, compositi di carbonio/epossidiche convenzionali hanno scarsa conduttività elettrica in direzione attraverso-spessore, che si traduce in una grande resistenza specifica areal (ASR), a causa dello strato di resina-ricco che si forma sulla superficie del composito. Lo strato di resina-ricco isolante impedisce il contatto diretto tra le fibre di carbonio conduttive e componenti adiacenti, ad esempio un altro piatto bipolare, strato di diffusione del gas (GDL), e carbonio sentivo elettrodo (CFE).
Molti studi sono stati condotti per risolvere l'ASR alta a causa dello strato di resina-ricco. Il primo approccio è stato metodi di trattamento di superficie per rimuovere selettivamente lo strato di resina-ricco. Ad esempio, abrasione meccanica è stata tentata per rimuovere la resina sulla superficie2. Tuttavia, le fibre di carbonio sono stati anche danneggiate, che ha provocato un povero ASR. Plasma trattamento3,4 e forno a microonde trattamento metodi5,6 sono stati sviluppati per evitare danni alle fibre, ma hanno provocato uniformità e bassa produttività. Il secondo approccio, metodi di rivestimento strato conduttivo, include Grafite espansa rivestimento7,8. Questo metodo con successo ridotto l'ASR ed è stato considerato come un metodo standard per la fabbricazione di un piatto bipolare composito. Tuttavia, è costoso e ha problemi di delaminazione e durata a causa della bassa resistenza meccanica.
In questo studio, il "metodo a strati morbido", un romanzo che può esporre a fibre di carbonio sulla superficie della piastra bipolare composito, metodo di fabbricazione è dimostrato. Lo scopo principale di questo metodo è quello di ottenere un basso ASR con un costo di produzione basso. Il metodo di strato morbido adotta un sottile strato di morbido come una pellicola di polimero rilascio tra la muffa di compressione e la piastra bipolare. Dopo l'indurimento nello stampo di compressione e il distacco dello strato morbido, la manifattura di lamiere bipolare Visualizza esposte sulla superficie senza alcun trattamento post-superficie di fibre di carbonio. Questo metodo non solo ha fatto diminuire l'ASR ma anche significativamente aumentato le proprietà meccaniche e risolto il problema di permeabilità del gas. Questo metodo può essere applicato per molti altri scopi: lo sviluppo di una piastra elettricamente conduttiva, la fabbricazione di un composito sottile e la realizzazione di un adesivo misto senza trattamento superficiale.

<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 piastra bipolare è un componente chiave in protone cambio membrana le celle a combustibile (PEMFC) e le batterie di flusso redox al vanadio (VRFBs). È un componente multi-funzionale che dovrebbe avere alta conduttività elettrica, elevate proprietà meccaniche e un'elevata produttività.
A questo proposito, un composito di fibra di carbonio/resina epossidica resina può essere un materiale ideale per sostituire la piastra bipolare di grafite convenzionali, che spesso conduce al fallimento catastrofico dell'intero sistema a causa della sua intrinseca fragilità. Anche se il composito di carbonio/epossidica ha elevate caratteristiche meccaniche ed è facile da produrre, la conducibilità elettrica in direzione attraverso-spessore è scarsa a causa dello strato di resina-ricco che si forma sulla sua superficie. Di conseguenza, un rivestimento della grafite espansa è stato adottato per risolvere il problema di conduttività elettrica. Tuttavia, il rivestimento della grafite espansa non solo aumenta i costi di produzione, ma anche ha scarse proprietà meccaniche.
In questo studio, è dimostrato un metodo per esporre le fibre sulla superficie del composito. Ci sono attualmente molti metodi che possono esporre fibre da trattamento superficiale dopo la fabbricazione del composito. Questo nuovo metodo, tuttavia, non richiede trattamento superficiale perché le fibre sono esposti durante la fabbricazione del composito. Esponendo le fibre di carbonio nude sulla superficie, la conduttività elettrica e la resistenza meccanica del composito sono aumentati drasticamente.

Gli esemplari fabbricati sono osservati mediante microscopia elettronica a scansione (SEM) (Figura 1). Poiché lo strato di resina-ricco che copre la parte superiore delle fibre è solo di pochi micrometri di spessore, un'immagine al microscopio ottica osservata nella parte superiore della provetta non è appropriata. Un'immagine di SEM osservata inclinando l'esemplare di 5° fornisce un'immagine più rappresentativa. Rispetto per i compositi realizzati da st...

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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 protocollo per esporre fibre nude sulla superficie del composito eliminando la zona ricca di resina è presentato. Le fibre vengono esposti durante la fabbricazione dei compositi, non mediante il post-trattamento superficiale. I compositi di carbonio esposte presentano alta conduttività elettrica nella direzione di attraverso-spessore ed elevate proprietà meccaniche.

Implementazione sperimentale di un nuovo metodo di fabbricazione compositi: esponendo fibre nude sulla superficie composita dal metodo strato morbido

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 ...

Research

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Engineering

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