磨碎碳纖維增強環(huán)氧樹脂-石墨雙極板材料制備與性能研究.pdf

1、質子交換膜燃料電池（PEMFC）以其能量轉化率高、低排放、能量和功率密度高等優(yōu)點被認為是適應未來能源和環(huán)境要求的理想動力源之一。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業(yè)化技術研究中的重要課題。本研究采用粉體原材料、低溫熱壓燒結方式制備環(huán)氧樹脂/石墨復合材料。根據美國能源部（DOE）對樹脂/石墨復合材料雙極板的性

2、能要求，以彎曲強度和電導率作為重點考慮的性能指標，系統(tǒng)研究了復合材料的制備工藝對其力學性能和電學性能的影響。 首先通過均勻設計試驗考察了樹脂含量、模壓溫度和保溫時間等因素對雙極板材料性能的影響，得到性能與試驗因素間的回歸方程，計算出理論的工藝區(qū)間。然后使用單因素試驗修正和補充了均勻設計的結論。根據以上工作得出最優(yōu)制備參數(shù)為環(huán)氧樹脂含量10％，酚醛樹脂與環(huán)氧樹脂質量比為3：8，模壓溫度275℃，保溫時間100min，此時復合材料的

3、彎曲強度為53．11MPa，電導率為209．25S/cm，達到了DOE對樹脂/石墨雙極板復合材料的要求。 為進一步提高EP/G雙極板復合材料的性能，提出了采用磨碎碳纖維來增強的方案。研究了不同的磨碎碳纖維長度、含量及表面處理方法對復合雙極板材料性能的影響。結果表明，磨碎碳纖維增強EP/G復合材料中，當碳纖維含量為7％時，復合材料的彎曲強度和電導率最佳?？諝庋趸淖罴烟幚砉に囀茄趸瘻囟葹?50℃，氧化時間為2h，此時復合材料的彎曲

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

5、應，形成共價鍵的樹脂間界面結合；樹脂含量合適時，環(huán)氧樹脂與固化劑進行固化生成三維交聯(lián)網絡結構，實現(xiàn)與石墨粉的有效復合。對磨碎碳纖維增強的環(huán)氧/石墨復合材料的界面分析認為，空氣氧化處理的碳纖維與基體材料間的界面結合屬強、弱結合共存；液相氧化的碳纖維與基體材料間界面的結合為弱結合。利用纖維增強復合材料理論，給出了碳纖維增強EP/G復合材料的彎曲強度的預估公式，并結合試驗數(shù)據進行了驗證。結果表明，纖維含量為5％時，復合材料彎曲強度的估計值與實