磨碎碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂-石墨雙極板材料制備與性能研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）以其能量轉(zhuǎn)化率高、低排放、能量和功率密度高等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是適應(yīng)未來能源和環(huán)境要求的理想動(dòng)力源之一。雙極板是PEMFC的重要組成部分，其成本約占總成本的45％，而高成本正是制約PEMFC產(chǎn)業(yè)化的一大障礙。尋找性能優(yōu)良且成本低廉的雙極板新材料和加工方法已成為燃料電池產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究中的重要課題。本研究采用粉體原材料、低溫?zé)釅簾Y(jié)方式制備環(huán)氧樹脂/石墨復(fù)合材料。根據(jù)美國能源部（DOE）對(duì)樹脂/石墨復(fù)合材料雙極板的性

2、能要求，以彎曲強(qiáng)度和電導(dǎo)率作為重點(diǎn)考慮的性能指標(biāo)，系統(tǒng)研究了復(fù)合材料的制備工藝對(duì)其力學(xué)性能和電學(xué)性能的影響。 首先通過均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)考察了樹脂含量、模壓溫度和保溫時(shí)間等因素對(duì)雙極板材料性能的影響，得到性能與試驗(yàn)因素間的回歸方程，計(jì)算出理論的工藝區(qū)間。然后使用單因素試驗(yàn)修正和補(bǔ)充了均勻設(shè)計(jì)的結(jié)論。根據(jù)以上工作得出最優(yōu)制備參數(shù)為環(huán)氧樹脂含量10％，酚醛樹脂與環(huán)氧樹脂質(zhì)量比為3：8，模壓溫度275℃，保溫時(shí)間100min，此時(shí)復(fù)合材料的

3、彎曲強(qiáng)度為53．11MPa，電導(dǎo)率為209．25S/cm，達(dá)到了DOE對(duì)樹脂/石墨雙極板復(fù)合材料的要求。 為進(jìn)一步提高EP/G雙極板復(fù)合材料的性能，提出了采用磨碎碳纖維來增強(qiáng)的方案。研究了不同的磨碎碳纖維長度、含量及表面處理方法對(duì)復(fù)合雙極板材料性能的影響。結(jié)果表明，磨碎碳纖維增強(qiáng)EP/G復(fù)合材料中，當(dāng)碳纖維含量為7％時(shí)，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和電導(dǎo)率最佳。空氣氧化的最佳處理工藝是氧化溫度為250℃，氧化時(shí)間為2h，此時(shí)復(fù)合材料的彎曲

4、強(qiáng)度由53．11MPa提高到59．99MPa，而復(fù)合材料的電導(dǎo)率略有降低，由209．25S/cm降低到203．72S/cm。液相氧化處理過程中，對(duì)復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度影響最大的因素是紫外線照射時(shí)間，對(duì)復(fù)合材料電導(dǎo)率影響最大的因素是pH值。采用液相處理后，復(fù)合材料的力學(xué)性能有較大下降，因此不宜采用這種液相氧化處理方式來處理碳纖維。 通過對(duì)環(huán)氧/石墨復(fù)合材料的固化機(jī)理分析認(rèn)為，樹脂含量較少時(shí)，石墨表面上的一些活性基團(tuán)與樹脂之間發(fā)生交聯(lián)反

5、應(yīng)，形成共價(jià)鍵的樹脂間界面結(jié)合；樹脂含量合適時(shí)，環(huán)氧樹脂與固化劑進(jìn)行固化生成三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)與石墨粉的有效復(fù)合。對(duì)磨碎碳纖維增強(qiáng)的環(huán)氧/石墨復(fù)合材料的界面分析認(rèn)為，空氣氧化處理的碳纖維與基體材料間的界面結(jié)合屬強(qiáng)、弱結(jié)合共存；液相氧化的碳纖維與基體材料間界面的結(jié)合為弱結(jié)合。利用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料理論，給出了碳纖維增強(qiáng)EP/G復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度的預(yù)估公式，并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，纖維含量為5％時(shí)，復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的估計(jì)值與實(shí)