磨碎碳纤维增强环氧树脂/石墨双极板材料制备与性能研究

摘要

质子交换膜燃料电池（PEMFC）以其能量转化率高、低排放、能量和功率密度高等优点被认为是适应未来能源和环境要求的理想动力源之一。双极板是PEMFC的重要组成部分，其成本约占总成本的45％，而高成本正是制约PEMFC产业化的一大障碍。寻找性能优良且成本低廉的双极板新材料和加工方法已成为燃料电池产业化技术研究中的重要课题。本研究采用粉体原材料、低温热压烧结方式制备环氧树脂/石墨复合材料。根据美国能源部（DOE）对树脂/石墨复合材料双极板的性能要求，以弯曲强度和电导率作为重点考虑的性能指标，系统研究了复合材料的制备工艺对其力学性能和电学性能的影响。 首先通过均匀设计试验考察了树脂含量、模压温度和保温时间等因素对双极板材料性能的影响，得到性能与试验因素间的回归方程，计算出理论的工艺区间。然后使用单因素试验修正和补充了均匀设计的结论。根据以上工作得出最优制备参数为环氧树脂含量10％，酚醛树脂与环氧树脂质量比为3：8，模压温度275℃，保温时间100min，此时复合材料的弯曲强度为53．11MPa，电导率为209．25S/cm，达到了DOE对树脂/石墨双极板复合材料的要求。 为进一步提高EP/G双极板复合材料的性能，提出了采用磨碎碳纤维来增强的方案。研究了不同的磨碎碳纤维长度、含量及表面处理方法对复合双极板材料性能的影响。结果表明，磨碎碳纤维增强EP/G复合材料中，当碳纤维含量为7％时，复合材料的弯曲强度和电导率最佳。空气氧化的最佳处理工艺是氧化温度为250℃，氧化时间为2h，此时复合材料的弯曲强度由53．11MPa提高到59．99MPa，而复合材料的电导率略有降低，由209．25S/cm降低到203．72S/cm。液相氧化处理过程中，对复合材料弯曲强度影响最大的因素是紫外线照射时间，对复合材料电导率影响最大的因素是pH值。采用液相处理后，复合材料的力学性能有较大下降，因此不宜采用这种液相氧化处理方式来处理碳纤维。 通过对环氧/石墨复合材料的固化机理分析认为，树脂含量较少时，石墨表面上的一些活性基团与树脂之间发生交联反应，形成共价键的树脂间界面结合；树脂含量合适时，环氧树脂与固化剂进行固化生成三维交联网络结构，实现与石墨粉的有效复合。对磨碎碳纤维增强的环氧/石墨复合材料的界面分析认为，空气氧化处理的碳纤维与基体材料间的界面结合属强、弱结合共存；液相氧化的碳纤维与基体材料间界面的结合为弱结合。利用纤维增强复合材料理论，给出了碳纤维增强EP/G复合材料的弯曲强度的预估公式，并结合试验数据进行了验证。结果表明，纤维含量为5％时，复合材料弯曲强度的估计值与实测值间的误差取得最小值为4．9％。根据复合材料强度预估公式的分析，碳纤维增强EP/G复合材料的弯曲强度还有较大的发展空间。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1质子交换膜燃料电池概述

1.2双极板的功能及要求

1.3双极板材料的选择

1.3.1金属材料

1.3.2复合板材料

1.3.3石墨材料

1.4碳纤维的性质及表面处理方法

1.4.1碳纤维的性质

1.4.2碳纤维的表面处理方法

1.5课题的提出

1.6研究内容

第二章 试验过程

2.1试验材料

2.2试验仪器设备

2.3环氧／石墨复合材料的制备过程

2.3.1环氧／石墨复合材料制备的技术路线

2.3.2环氧／石墨复合材料的制备

2.4碳纤维增强环氧／石墨复合材料的制备过程

2.4.1碳纤维增强环氧／石墨复合材料制备的技术路线

2.4.2碳纤维表面处理步骤

2.4.3碳纤维增强环氧／石墨复合材料的制备

2.5性能测试

2.5.1电阻率的测定

2.5.2弯曲强度的测定

2.6微观结构分析

2.7红外光谱测试

第三章 环氧／石墨双极板复合材料的研究

3.1均匀试验设计方案及其试验结果

3.2均匀试验设计结果分析

3.2.1直观分析

3.2.2回归分析

3.2.3影响因素数据优化

3.3单因素对复合材料性能的影响

3.3.1树脂含量对复合材料性能的影响

3.3.2模压温度对复合材料性能的影响

3.3.3保温时间对复合材料性能的影响

3.4均匀化试验设计与单因素试验结果分析

3.5本章小结

第四章 磨碎碳纤维增强环氧／石墨双极板复合材料的研究

4.1碳纤维颗粒度的确定

4.2碳纤维含量的确定

4.3空气氧化和液相氧化处理后碳纤维的红外光谱分析

4.4空气氧化的碳纤维对复合材料性能的影响

4.4.1氧化温度对复合材料性能的影响

4.4.2氧化时间对复合材料性能的影响

4.4.3空气氧化对复合材料性能的提高

4.5液相氧化的碳纤维对复合材料性能的影响

4.5.1液相氧化碳纤维均匀试验设计方案及结果

4.5.2液相氧化碳纤维均匀试验设计结果分析

4.6磨碎碳纤维增强的环氧／石墨复合材料的断口分析

4.7本章小结

第五章 磨碎碳纤维增强环氧／石墨材料的增强机理浅析

5.1环氧／石墨复合材料固化机理

5.2磨碎碳纤维与环氧／石墨复合材料的界面结合分析

5.3磨碎碳纤维增强环氧／石墨复合材料弯曲强度的预估

5.1.1碳纤维方向系数Ka的确定

5.1.2碳纤维粘结系数Kb的确定

5.1.3碳纤维长度有效系数Kc的确定

5.4碳纤维增强复合材料强度预估公式

5.5碳纤维增强复合材料强度预估公式的验证

5.6本章小结

第六章 结论与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的论文及专利