欧美另类久久久精品图片,热99在线观看中文无码,无码精品国产av,国产AV一区二区精品久久动漫

摘要:氣體擴(kuò)散層用碳纖維紙是質(zhì)子交換膜燃料電池中十分重要的組件。利用國(guó)產(chǎn)碳纖維氈制備了碳纖維紙，研究了短切碳纖維和樹脂碳含量對(duì)碳纖維紙性能的影響.并采用分形維數(shù)的方法表征了碳纖維紙的結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明.當(dāng)碳纖維紙中短切碳纖維與樹脂碳體積分?jǐn)?shù)比為1:0.7時(shí).碳纖維紙的力學(xué)性能和透氣率能夠得到很好的兼顧。當(dāng)短切碳纖維和樹脂碳的體積含量總計(jì)為25%時(shí).碳纖維紙具有良好的整體性能。分形維數(shù)對(duì)比結(jié)果顯示，自制碳纖維紙的微結(jié)構(gòu)與東麗( Toray)碳纖維紙相似。
引言
    質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是燃料電池中最具有商業(yè)應(yīng)用前景的一種燃料電池。由于碳材料具有良好的導(dǎo)電性.導(dǎo)熱性和化學(xué)穩(wěn)定性,所以廣泛應(yīng)用在PEMFC中，如雙極板，催化劑載體和氣體擴(kuò)散層(GDL)。GDL是PEMFC中十分重要的結(jié)構(gòu)型組件,是反應(yīng)氣體和水的重要傳質(zhì)通道,起著分布反應(yīng)氣體、導(dǎo)出反應(yīng)生成的水、傳導(dǎo)電能和熱量的重要作用。目前,PEMFC中GDL大部分采用日本公司12,和加拿大公司的碳纖維紙。
    近年來(lái),為了進(jìn)一步降低PEMFC成本,研究者開始著手于碳纖維紙的研制工藝，旨在實(shí)現(xiàn)碳纖維紙的國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)。例如利用短切碳纖維和熱固性酚醛樹脂制:備GDL.用碳纖維紙[34),并深人研究了碳纖維紙的各項(xiàng)性能與生產(chǎn)工藝之間的關(guān)系。國(guó)內(nèi)在碳纖維紙制備方面也進(jìn)行了許多研究工作,如研究了氣體擴(kuò)散層所用材料[5];利用中間相瀝青對(duì)碳纖維紙進(jìn)行改性[6];從添加劑和制備工藝方面入手，對(duì)碳纖維紙進(jìn)行了改進(jìn)[78];利用分形維數(shù)研究了碳纖維紙的微觀結(jié)構(gòu)[9。但對(duì)于短切纖維與樹脂碳相對(duì)含量以及總含量對(duì)碳纖維紙性能的影響未作報(bào)道。
    本文在研究國(guó)產(chǎn)碳纖維紙中短切碳纖維含量和樹脂碳含量對(duì)碳纖維紙性能影響的基礎(chǔ)上,優(yōu)化其組成,并利用分形維數(shù)研究了自制碳纖維紙和日本東麗(Toray)碳纖維紙的結(jié)構(gòu)，為改進(jìn)碳纖維紙的生產(chǎn)工藝提供直接的依據(jù)。

 1實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

采用開封市玻纖濾材有限公司生產(chǎn)的碳纖維氈作為增強(qiáng)體,碳纖維氈的面密度為20g/cm2 ;采用北京玻璃鋼研究院生產(chǎn)的胺酚醛樹脂作為樹脂碳的前驅(qū)體。
 
1、F-Fiber HTP 400  高溫高壓輥壓機(jī)
（http://njcc0g.cn/pro4/368.html#container）
2、F-Fiber Disper 碳纖維分散器
（http://njcc0g.cn/pro2/wjxwfssb/328.html#container）
3、F-Fiber Sheet Former 碳纖維濕法成型設(shè)備
（http://njcc0g.cn/pro1/tanzuxianweichengxing/365.html#container）
4、SG2-10- 12坩堝電阻爐，北京電爐廠
5、SX-193I數(shù)字.式微歐計(jì),蘇州電訊儀器廠;
6、 Insron-5567萬(wàn)能拉力實(shí)驗(yàn)機(jī), Instron公司
7、Hitachi S 4700掃描電子顯微鏡,Hitachi公司。
 
1.2碳纖維紙的制 備

       將碳纖維氈裁剪為12cmX 12cm的片材,根據(jù)所需樹脂碳的體積分?jǐn)?shù)浸漬胺酚醛樹脂并烘干溶劑。將浸漬有酚醛樹脂的預(yù)浸料在模具中進(jìn)行加壓固化,最后在900C的碳化溫度下碳化1 h,得到碳纖維紙。

1.3樣品性能和結(jié)構(gòu)的表征

      將樣品裁減成為12cmX 1 cm的樣條,使用數(shù)字式微歐計(jì)和萬(wàn)能拉力實(shí)驗(yàn)機(jī)分別測(cè)量碳纖維紙的電阻率和拉伸強(qiáng)度。通過(guò)恒定透過(guò)樣品的氣體流量測(cè)量樣品兩端的壓力差表征樣品的透氣率。根據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)(YB/T 908一1997),用水煮法表征樣品的孔隙率。

       采用分形維數(shù)的方法表征碳纖維紙結(jié)構(gòu)。經(jīng)Hitachi S 4700場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡獲取SEM電鏡照片,放大倍率為200倍,照片分辨率為1280x960。再將樣品的SEM照片處理成二值圖像,即將短切碳纖維和樹脂碳構(gòu)成的實(shí)體部分轉(zhuǎn)變成白色，孔隙部分轉(zhuǎn)變成黑色。使用不同像素邊長(zhǎng)的盒子分別覆蓋二值化圖像的黑色部分和白色部分,所得盒子數(shù)分別為實(shí)體部分和孔腺部分的盒子數(shù)。用盒子數(shù)對(duì)不同的像素邊長(zhǎng)做雙對(duì)數(shù)圖,直線的斜率即為分形維數(shù)。

2結(jié)果與討論

2.1樹脂碳含 量的影響

        樹脂碳是碳纖維紙中短切碳纖維之間的粘合劑。當(dāng)碳纖維紙發(fā)生力學(xué)破壞時(shí),首先發(fā)生破壞的地方是短切碳纖維與樹脂碳的結(jié)合部分，因此是碳纖維紙力學(xué)性能的主要控制因素。若沒有樹脂碳，碳纖維紙便失去力學(xué)性能。同時(shí)，樹脂碳又可減少短切碳纖維之間的接觸電阻.有利于碳纖維紙中導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成。在碳纖維量一.定的條件下(短切纖維體積分?jǐn)?shù)為18.4%),不同含量樹脂碳的碳纖維紙主要性能如表I所示。

       由表1可見,在樣品尺寸不變的前提下,隨著樹脂碳體積分?jǐn)?shù)的增加,樣品的表觀密度升高,孔隙率下降。樹脂碳含量的升高,一方面會(huì)使碳纖維紙中導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)更加發(fā)達(dá).起到降低電阻的作用;但另- -方面也會(huì)增加碳纖維與樹脂碳之間的界面，形成更多的接觸點(diǎn)從而導(dǎo)致樣品內(nèi)部接觸電阻的增加,所得樣品的電阻率是兩種效果的綜合。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,樣品的體電阻率僅從最初的0.01532.cm降低到0.0104 n.cm,并不很明顯。但是，樹脂碳含量的增加對(duì)拉伸強(qiáng)度與透氣率的影響呈相反的趨勢(shì),如圖1所示，即隨著樹脂碳體積分?jǐn)?shù)的升高透氣率迅速變小，而拉伸強(qiáng)度則大幅升高。

       出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于樹脂碳在碳纖維紙中的存在狀態(tài)。如圖2所示,樹脂碳是以薄膜的形式將分散無(wú)序的短切碳纖維粘合在一起。當(dāng)樹脂碳含量增加的時(shí)候,新生成的樹脂碳薄膜會(huì)引起更大面積的氣體阻礙,使得樣品的透氣率發(fā)生嚴(yán)重下降,從1000ml. mm/( em2. h. mmAq)左右降為61 ml.mm:/(em2.h.mmAq)。但與此同時(shí),樹脂碳含量的提高導(dǎo)致短切碳纖維與樹脂碳界面結(jié)合點(diǎn)數(shù)量增多,樣品的拉伸強(qiáng)度也就從11.0MPa提高到29.5MPa。

      綜合圖1中樹脂碳體積分?jǐn)?shù)對(duì)透氣率和拉伸強(qiáng)度的影響，可以看出當(dāng)樹脂碳的體積分?jǐn)?shù)在13.2% ,即與短切碳纖維的體積分?jǐn)?shù)比值在0.72:1時(shí),碳纖維紙透氣率和拉伸強(qiáng)度可以很好地兼顧。

2.2短切碳纖維 含量的影響

     短切碳纖維是構(gòu)成碳纖維紙骨架的主要成分，起到交織成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和成孔的作用,它的含量直接影響到樣品的電性能、孔徑分布和透氣性。當(dāng)樹脂碳的體積分?jǐn)?shù)為8%時(shí),只改變短切碳纖維的含量,所得碳纖維紙的性能見表2。

        與樹脂碳體積分?jǐn)?shù)增加對(duì)碳纖維紙性能影響的趨勢(shì)- . 樣,隨著短切纖維體積分?jǐn)?shù)的增加,碳纖維紙的密度增大,孔隙率降低。短切纖維體積分?jǐn)?shù)的增加同樣增強(qiáng)了碳纖維紙內(nèi)部的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),從而引起電阻率的下降。短切碳纖維含量對(duì)碳纖維紙拉伸強(qiáng)度與透氣率的影響如圖3所示。

        短切碳纖維含量的增加可提高碳纖維紙的拉伸強(qiáng)度,但其前提是碳纖維紙中具有足夠量的樹脂碳作為粘結(jié)劑。否則.纖維紙的強(qiáng)度就會(huì)很低。此外，短切碳纖維含量的增加必然會(huì)阻礙氣體的透過(guò),但其阻礙程度要比樹脂碳小的多,這主要是因?yàn)闃渲荚谔祭w維紙中呈薄膜狀，而短切碳纖維則是無(wú)序地堆積在- - 起形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。與樹脂碳將某一微小區(qū)域的通道全部堵住不同,呈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的碳纖維則是將孔徑較大的通道分制成為孔徑較小的通道.從而引起碳纖維紙透氣率的降低。從圖3可以看出,當(dāng)短切碳纖維的體積分?jǐn)?shù)為13%時(shí)，碳纖維紙的透氣率和拉伸強(qiáng)度可以兼顧,也就是當(dāng)短切碳纖維與樹脂碳的體積比為1:0.7左右時(shí),碳纖維紙?jiān)诰哂休^高力學(xué)性能的同時(shí)兼具較好的透氣率。

2.3碳纖維紙中短切碳纖維和樹脂碳的最佳含量短切碳纖維和樹脂碳構(gòu)成碳纖維紙的實(shí)體部分,其余就是孔隙結(jié)構(gòu)。碳纖維紙的透氣率和拉伸強(qiáng)度取決于兩者的綜合作用。實(shí)體部分含量高,則透氣率下降,拉伸強(qiáng)度增加;反之,孔隙含量高,則透氣率變大,而拉伸強(qiáng)度變差。實(shí)體部分體積分?jǐn)?shù)對(duì)碳纖維紙透氣率和拉伸強(qiáng)度的影響如圖4所示。

        從圖4中可以清楚看出,實(shí)體部分的體積分?jǐn)?shù)為25%左右,碳纖維紙兼具較好拉伸強(qiáng)度和透氣率。結(jié)合2.1和2.2的分析結(jié)果,可以得出,當(dāng)碳纖維紙中短切碳纖維與樹脂碳體積分?jǐn)?shù)的比值為1:0.7,即短切碳纖維的體積含量為14.7% ,樹脂碳的體積含量為10.3%時(shí),所得碳纖維紙將具有良好的綜合性能。根據(jù)此比例進(jìn)行物料組成設(shè)計(jì),制備出的碳纖維紙性能如下:密度為0.45g/em3 ,透氣率為2000mL●mm/(em2●h. mmAq),拉伸強(qiáng)度為18.0MPa,與日本Toray公司的碳纖維紙性能接近。

2.4碳纖維紙結(jié)構(gòu)的分形 維數(shù)表征分形維數(shù)表示的是樣品中某種結(jié)構(gòu)尺寸分散程度和分散總量的共同效果。分形維數(shù)越大,這種結(jié)構(gòu)的尺寸分散程度和分散總量就越大。將測(cè)定的日本Toray公司TGP-H-090和自制碳纖維紙的SEM電鏡照片灰度圖像(圖5)轉(zhuǎn)換為了黑白圖像(圖6),其中，白色部分是由纖維和樹脂碳組成的實(shí)體部分，黑色部分則是碳纖維紙的孔隙部分。

依據(jù)圖6.選取兩種樣品不同盒子邊長(zhǎng)(8)下的盒子數(shù)(N,).見表3。繪制δ與N。的雙對(duì)數(shù)曲線,如圖7所示。根據(jù)式(1),雙對(duì)數(shù)曲線的斜率分別是實(shí)體部分和孔隙部分的分形維數(shù)。

       依據(jù)圖7,計(jì)算兩種碳纖維紙的分形維數(shù),結(jié)果見表4。從表4的數(shù)據(jù)和圖7中可以看出,自制樣品和東麗樣品具有相同的特點(diǎn),即實(shí)體的分形維數(shù)要高于孔隙的分形維數(shù),且圖像的截距也較大。自制碳纖維紙和東麗碳纖維紙的不同分形維數(shù)的線性相關(guān)性均非常好,證明分形維數(shù)可以很好地表征碳纖維紙的結(jié)構(gòu)。

        在同一樣品中,碳纖維紙實(shí)體部分的分形維數(shù)高于孔隙的分形維數(shù)。這是因?yàn)樘祭w維紙中的孔隙是由碳纖維紙中碳纖維和樹脂碳的共同作用分割出來(lái)的，實(shí)體部分的分散程度直接影響到孔隙的分散程度。而且，從圖6中也可以看出,實(shí)體部分的面積要大于孔腺部分的面積,孔隙的孔徑分布較為均勻;而實(shí)體部分是由較為分散的纖維和成片的樹脂碳構(gòu)成,尺寸分散程度較高,因此實(shí)體部分的分散程度高于孔隙的分散程度,也就導(dǎo)致實(shí)體部分的分形維數(shù)高于孔隙的分形維數(shù)。

        對(duì)比兩種碳纖維紙的分形維數(shù)可以發(fā)現(xiàn),自制碳纖維紙的實(shí)體分形維數(shù)與東麗碳纖維紙相當(dāng),而孔隙的分形維數(shù)低于東麗碳纖維紙。如圖6所示，兩種碳纖維紙實(shí)體部分的總量較大,因此實(shí)體部分分形維數(shù)的區(qū)別不是很明顯;而孔隙的總量較少,兩者的差異比較明顯:東麗碳纖維紙的孔隙較小且較為均勻,而自制樣品的孔隙均勻性稍差.因此自制樣品的分形維數(shù)較小。

       為了檢驗(yàn)樣品分形維數(shù)的重現(xiàn)性,隨機(jī)選取同樣規(guī)格樣品的不同部分計(jì)算實(shí)體部分和孔隙部分的分形維數(shù),結(jié)果如圖8所示。從圖8中可以看出,四條曲線的波動(dòng)程度均不大,說(shuō)明自制樣品和日本樣品質(zhì)地都比較均勻,數(shù)據(jù)的再現(xiàn)性比較好。同時(shí)也表明,自制碳纖維紙與東麗碳纖維紙?jiān)诮Y(jié)構(gòu)上比較接近。

3結(jié)論

(1)短切碳纖維體積分?jǐn)?shù)和樹脂碳體積分?jǐn)?shù)直接影響碳纖維紙的性能。當(dāng)短切碳纖維和樹脂碳的體積比為1:0.7時(shí).碳纖維紙可以在保證較高的透氣率的同時(shí)獲得很好的力學(xué)性能。當(dāng)這兩種成分總體積分?jǐn)?shù)達(dá)到25%時(shí)，碳纖維紙可以獲得優(yōu)良的綜合性能。

(2)分形維數(shù)可以用來(lái)研究碳纖維紙無(wú)序多孔復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)。與東麗碳纖維紙相比,自制碳纖維紙實(shí)體部分的分形維數(shù)相當(dāng),而孔隙部分的分形維效稍高。